автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексное воздействие на структуру и свойства медно-никелевых сплавов с целью повышения качества литых заготовок

На правах рукописи

ЛАЩЕНКО Дмитрий Дмитриевич

КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2004

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» и на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Мысик Раиса Константиновна.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Смолко Виталий Анатольевич

кандидат технических наук Митрофанов Михаил Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Екатеринбургский завод

по обработке цветных металлов», г. Екатеринбург, Свердловская обл.

Защита состоится 24 декабря 2004 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» в ауд. I (зал Ученого Совета) по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19. Отзыв на автореферат, скрепленный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ», ученому секретарю совета. Факс:(343)374-36-31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ».

Автореферат разослан «_» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор, д.т.н.

Карелов СВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время деформируемые медно-никелевые сплавы широко используются в различных отраслях нашей страны и за рубежом. Часть медно-никелевых сплавов идет на изготовление труб ответственного назначения, которые применяются в теплообменных аппаратах, используемых в судостроении, атомной энергетике, поэтому к этим сплавам предъявляются высокие требования по химическому составу, механическим свойствам и коррозионной стойкости. Промышленная плавка медно-никелевых сплавов осуществляется в индукционных канальных печах, где в качестве покрова используется древесный уголь. Разливка производится на установках полунепрерывного литья вертикально вниз в кристаллизаторы скольжения, при этом для предотвращения окисления поверхность расплава защищается слоем прокалённой сажи. Сажа и древесный уголь являются источниками углерода и серы, а углерод является нежелательной примесью в медно-никелевых сплавах. Конкурентная способность из этих сплавов определяется не только их качеством, но и стоимостью. В последнее время возросла доля ломов в составе шихтовых материалов. Анализ качества слитков показал повышенное содержание серы в сплавах. Сера является вредной примесью в медно-никелевых сплавах. Сера образует с никелем легкоплавкую эвтектику №-№3Б2, которая, располагаясь по границам кристаллов, нарушает связь между ними и способствует разрушению слитков при дальнейшей обработке давлением. Следует отметить, что в связи с низкой теплопроводностью сажи теплоотвод с поверхности расплава практически отсутствует. Это приводит к тому, что перепад температуры по сечению слитка достигает значительных величин (свыше 700 °С на выходе слитка из кристаллизатора) и способствует возникновению внутренних напряжений и образованию трещин в центральной зоне слитка. Как правило, предельная скорость литья ограничивается вероятностью образования горячих трещин и является достаточно низкой. Известно, что измельчение зерна

БИБЛИОТЕКА

горячими трещинами. Кроме того, слитки со структурой, состоящей из мелких равноосных кристаллов, более благоприятны для дальнейшей обработки давлением. Содержащийся в сплавах никель растворяет значительное количество водорода, поэтому медно-никелевые сплавы склонны к образованию газовой пористости. В этой связи, совершенствование существующего технологического регламента производства литых заготовок из медно-никелевых сплавов без газовой пористости, внутренних горячих трещин, с мелкозернистой структурой и минимальным содержанием серы и углерода является актуальным.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение качества литых заготовок из медно-никелевых сплавов за счет устранения внутренних горячих трещин, пористости, а также повышения механических свойств литых заготовок и продукции из них. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить исследование влияния технологических факторов на процесс формирования структуры и глубину лунки слитков медно-никелевых сплавов с целью выявления возможности интенсификации процесса затвердевания этих сплавов при полунепрерывном способе литья и получения качественных литых заготовок.

2. Обосновать выбор модификаторов для медно-никелевых сплавов на примере сплавов МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1. Определить наиболее приемлемый тип модификатора и выполнить сравнительное исследование структуры и механических свойств слитков, отлитых по стандартной технологии и с применением модифицирования, и изделий из этих сплавов.

3. Исследовать особенности затвердевания слитков, склонных к образованию газовой пористости и трещин, по стандартной технологии и с использованием флюсов.

4. На основании выполненного исследования разработать технологический регламент плавки и литья медно-никелевых сплавов.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально установлены взаимосвязи скорости кристаллизации, глубины лунки жидкого металла от скорости литья слитков из медно-никелевых сплавов при полунепрерывном литье в прямоточный кристаллизатор.

2. Впервые предложен комплексный модификатор Ni-Mg-Ce для медно-никелевых сплавов с целью измельчения структуры и одновременной десульфурации сплавов, а также увеличения степени усвоения магния и церия.

3. Установлено, что затекающий в зазор между слитком и кристаллизатором жидкий флюс устраняет неравномерность фронта затвердевания при кристаллизации слитка, особенно в нижней части лунки жидкого металла.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования и теоретического анализа, на основании которых выявлена зависимость глубины лунки жидкого металла от скорости литья и диаметра слитка для медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМцЗО-1-1.

2. Результаты исследования влияния различных модификаторов на структуру и свойства лабораторных образцов из этих сплавов.

3. Результаты исследования влияния различных покровных материалов в печи и кристаллизаторе, применяемых взамен сажи и древесного угля, на структуру и свойства медно-никелевых сплавов на примере МНЖМц30-1-1.

4. Результаты промышленного опробования усовершенствованной технологии производства слитков из медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1,МНЖМц10-1-1 иМНЖМц30-1-1.

Практическая ценность работы.

1. Из выведенной зависимости глубины лунки жидкого металла от скорости литья и диаметра слитка построена номограмма, позволяющая прогнозировать появление внутренних горячих трещин в отливках из медно-

никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1, МНЖМц30-1-1 и назначить технологические параметры литья.

2. Усовершенствован существующий технологический регламент производства слитков из медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМцЮ-1-1 и МНЖМц30-1-1.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 6 Международной научной конференции, г. Вроцлав (Польша), 2004 г.; на 1 Российской конференции по трубному производству «Трубы России - 2004», г. Екатеринбург, 2004 г.; на 4 отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «Уральский государственной технический университет - УПИ», г. Екатеринбург, 2003 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи и 2 тезисов докладов, получен 1 патент РФ и 1 патентная заявка.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 119 наименований и 12 приложений. Она изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее основные цели и задачи, приведены научные положения, выносимые на защиту, а так же показана практическая ценность результатов исследования.

В первой главе выполнен литературный обзор по вопросам исследования. Рассмотрены свойства и область применения медно-никелевых сплавов. Приведены марки, химические составы и свойства медно-никелевых сплавов. Рассмотрены проблемы получения качественных литых заготовок из медно-никелевых сплавов при полунепрерывном литье. В данном разделе рассмотрен механизм образования пористости и внутренних горячих трещин в слитках при

полунепрерывном литье, указаны возможные причины появления данных дефектов, а также методы их устранения. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены методики исследования, перечислены оборудование и материалы, использованные для проведения как лабораторных, так и промышленных экспериментов. Приведена применявшаяся в работе методика статистической обработки результатов исследования химического состава, структуры и механических свойств сплавов. Подробно описаны методики экспериментального исследования, а именно, проведение опыта по термографированию слитка диаметром 204 мм сплава МНЖ5-1 в процессе полунепрерывного литья, проведение металлографического исследования, основные способы оценки качества полунепрерывнолитых слитков.

В третьей главе выполнен анализ существующих технологических режимов литья. С помощью вмораживания термоэлектрических датчиков по сечению слитка получены кривые охлаждения слитка диаметром 204 мм из сплава МНЖ5-1 (рис. 1) и построены температурные поля слитка при охлаждении. Скорость литья составляла 5 м/ч. В результате установлено, что на выходе из кристаллизатора наблюдается максимальный перепад температур по сечению слитка, превышающий 700 °С. На основании этих данных определена глубина лунки жидкого металла, составившая 440 мм при высоте кристаллизатора 400 мм. Для фиксации фронта затвердевания в лунку жидкого металла заливался свинец. На рис. 2 представлена лунка жидкого металла и фронт кристаллизации слитка диаметром 204 мм этого же сплава. Параметры литья были одинаковыми со слитком, где проводилось термографирование. Глубина лунки в этом эксперименте составила 484 мм. Металлографическим анализом темплетов опытных слитков установлено, что макроструктура состоит из трех зон - поверхностная зона мелких

Кривые охлаждения слитка сплава МНЖ5-1, замфаженнж кристаллов, зона

столбчатых кристаллов и в

отлитого по стандартной технологии

центре крупные равноосные кристаллы (рис. 3).

Рассмотрено влияние технологических параметров на глубину лунки в слитках диаметром 204 мм при полунепрерывном литье медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1. На основании полученных данных выведено уравнение зависимости глубины лунки от скорости литья и диаметра слитка.

1 Уг ^ сова V

где

V, - скорость вытягивания слитка; Я - радиус слитка;

V1 - скорость нарастания твердой корочки в зоне охлаждения кристаллизатора; 1^2 - скорость нарастания твердой корочки в зоне сосредоточенного струйного охлаждения;

а - угол наклона фронта кристаллизации к стенке кристаллизатора в зоне кристаллизатора;

- угол наклона фронта кристаллизации к стенке кристаллизатора в зоне сосредоточенного струйного охлаждения;

время, за которое слиток проходит зону кристаллизатора;

К- коэффициент (определяется экспериментально для каждого сплава).

На основании полученных экспериментальных данных построены номограммы, позволяющие определить предельно допустимую скорость литья

(рис. 4). По данным номограммам в

Лунка жидкого металла в слитке сплава МНЖ5-1

производственных условиях легко прогнозировать, при каких

технологических параметрах в слитках образуются внутренние горячие трещины. В завершение главы сформулированы выводы.

В четвертой главе представлены результаты по модифицированию медно-никелевых сплавов. Приведен литературный обзор по вопросам модифицирования, рассмотрена

применяемая терминология и классификация модификаторов,

рассмотрены механизмы упрочнения металлов при модифицировании, приведено обоснование выбора модификаторов.

Рис. 2

Выполнены лабораторные

эксперименты по модифицированию сплава МНЖМц30-1-1 магнием, вольфрамом, титаном, ниобием, ванадием, цирконием, лигатурой Ni-Mg-Ce. При использовании всех перечисленных модификаторов получено измельчение структуры, но на практике при выборе модификатора также следует руководствоваться его ценой и доступностью. По результатам проведенного исследования заключили, что целесообразно использовать титан и лигатуру Ni-Mg-Ce состава (масс. %): 82-86№, 14-17Mg, 0,4-0,6Ce. Промышленные эксперименты проводились с использованием этих

модификаторов. Использование лигатуры такого состава обусловлено тем, что никель, являясь основой лигатуры, обеспечивает достаточно высокую степень

усвоения магния и церия. Во-вторых, магний является не только раскислителем и модификатором, но и связывает серу, которая относится к вредным примесям в медно-никелевых сплавах, поскольку, располагаясь по границам зерен в виде легкоплавкой эвтектики М-МД, ослабляет их и способствует охрупчиванию сплава при деформации. И, наконец, церий, также как и магний, взаимодействуя с серой и кислородом, образует тугоплавкие соединения, которые, являясь дополнительными центрами кристаллизации, способствуют измельчению структуры слитка.

Рассмотрено влияние титана и лигатуры Ni-Mg-Ce на макро-, микроструктуру и свойства лабораторных образцов медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1 (рис. 5). Влияние выбранных модификаторов на структуру и свойства изучаемых сплавов оценивалось по остаточному содержанию титана и магния. Твердость по Виккерсу полученных образцов представлена на рис. 6. Образцы, в которых остаточное содержание титана составляет от 0,03 до 0,1% и магния - от 0,02 до 0,04% имеют более высокие прочностные показатели по сравнению с образцами,

отлитыми без применения модификаторов. При этом химический состав модифицированных образцов соответствует ГОСТ 492-73. В завершение главы сформулированы выводы.

Зависимость глубины лунки жидкого металла и критического расстояния от скорости литья слитков медно-никелевых сплавов

> ' « I и Д 1 M i« *> «

I корость литья ч/ч в

Рис.4

Зависимость средней площади сечения зерна от содержания модификаторов в образцах сплава МНЖМц 10-1-1

1) образцы, модифицированные лигатурой Ni-Mg-Ce;

2) образцы, модифицированные Ть

Пятая глава

посвящена изысканию покровных материалов в печи и кристаллизаторе взамен древесного угля и сажи. В данной главе рассмотрен обзор ранее проведенных работ по подбору покровных

материалов взамен сажи и древесного угля для сплавов на медной основе. Рассмотрено влияние различных

составов покрова в кристаллизаторе на

структуру и свойства медно-никелевых сплавов на примере МНЖМц30-1-1.

Исследуемые составы

Рис.5

покровов в кристаллизаторе приведены в табл. 1.

Применение покровного флюса №10 (табл. 1) дало положительные результаты. Металлографический анализ показал, что полученные слитки имеют мелкозернистую структуру и значительных дефектов не имеют.

В данной главе также рассмотрено влияние нескольких покровных материалов в печи на структуру и свойства медно-никелевых сплавов на примере МНЖМц30-1-1. Исследуемые составы покровов в печи приведены в табл. 2. В результате проведенного исследования получены удовлетворительные результаты по замене древесного угля при производстве

сплава МНЖМц30-1-1, а также снижению содержания серы и углерода при плавке сплава МНЖМц 30-1-1 с использованием флюса № 8 (табл. 2).

Таблица 1

Покров в кристаллизаторе

№ компоненты, масс. %

смеси Ш£,0„ 810„ СаО Са¥2 Л12О3

1 80 20 — — —

2 70 30 — — —

3 70 — 30 — —

4 90 — — 10 —

5 80 — — 20 —

6 70 — — 30 —

7 60 — — 40 —

8 50 — — 50 —

9 80 — — 13 7

10 60 26 14

Таблица 2

Покров в печи

№ смеси Компоненты, масс. %

Ш£0, СаО СаС, Си2О 810,

1 75 25 — — —

2 60 40 — — —

3 75 — 25 — —

4 100 — — — —

5 — — — 80 20

6 — 75 — 25 —

7 50 35 — 15 —

8 33,(3) 33.(3) 33,(3)

Использование данного флюса при плавке в печи дает снижение содержания серы на 30-50 %, углерода - на 20-40 %. Проведен расчет расхода покровной смеси в печи. В завершение главы сформулированы выводы.

Зависимость твердости от содержания модификаторов в образцах медно-никелевых сплавов

Содержание магнии, масс %

Содержание титана, масс %

Пунктиром показано среднеквадратичное отклонение значений твердости, полученных при измерении

В шестой главе

представлены результаты опытно - промышленного опробования технологии

модифицирования медно-никелевых сплавов.

Отлиты опытные партии слитков сплавов МНЖ5-1 и МНЖМц30-1-1, из которых в дальнейшем изготовили трубы размером 10x1 мм и 16x1,5 мм соответственно. Сравнение проводили с партиями, отлитыми по стандартной технологии. При этом было установлено, что наблюдается измельчение средней площади сечения зерна в поперечном сечении слитков изучаемых сплавов (рис. 7, 8). Средние значения механических

свойств труб, изготовленных из опытных партий представлены в табл. 3,4.

Рис.6

Изменение средней площади сечения зерна в радиальном направлении поперечного сечения слитков, отлитых по стандартной технологии и модифицированных лигатурой №-^-Се и Т

а - слиток отлит по стандартной технологии;

б - слиток отлит с использованием в качестве модификатора лигатуры №-М^-Се. Остаточное содержание М^ - 0,015%.

0 10 2030405060706090 100

Удаление от центра слитка, мм

1 - слиток отлит по стандартной технологии;

2 - слиток отлит с использованием в качестве модификатора лигатуры №-М^-Се Остаточное содержание М^ - 0,008%;

3 - слиток отлит с использованием в качестве модификатора титана Остаточное содержание Т - 0,011%.

Рис.7

Структура слитка МНЖ5-1, модифицированного лигатурой Ni-Mg-Ce

2) микроструктура а - центральная часть слитка, б - '/2 радиуса слитка, в - край слитка

Рис.8

Таблица 3

Механические свойства тянутых труб сплава МНЖМц30-1-1 размером 16 х 1,5 мм в твердом и мягком состояниях

Наименование Тверд состоя ств, МПа ое ние 5, % Мягкое со ств, МПа стояние 5,%

Стандартная партия 588 3 421,4 35

Опытная партия 578,2 4 460,6 37

Таблица 4

Механические свойства тянутых труб сплава МНЖ5-1 размером 10 х 1мм в твердом и мягком состояниях

Наименование Твердое Мягкое состояние

состояние

ств,МПа 5,% ав,МПа 5,%

Стандартная 457 2,5 320,7 37,7

партия

Опытная 468,1 3,4 325,6 36,6

партия

Основные выводы.

1. Исследовано влияние технологических факторов на структуру и глубину лунки слитков сплавов МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1, отлитых на установке полунепрерывого литья в прямоточный кристаллизатор. Выведена зависимость глубины лунки от скорости литья и диаметра слитка, позволяющая оценить вероятность возникновения трещин. Показано, что возможно увеличение скорости литья на сплавах МНЖ5-1 и МНЖМц10-1-1 на 15%.

2. Обоснован выбор модификаторов. Установлено, что наиболее приемлемыми модификаторами с точки зрения воздействия на структуру и свойства изучаемых сплавов, являются лигатура Ni-Mg-Ce и Тг При этом использование лигатуры обеспечивает комплексное воздействие на расплав за счет измельчения зерна и десульфурации. За оценку степени усвоения модификаторов и воздействия их на кристаллизующийся расплав принято остаточное содержание магния и титана в сплаве. Лигатура Ni-Mg-Ce оказывает положительное воздействие на кристаллизующийся расплав, если остаточное содержание магния составляет 0,008 - 0,035% на сплавах МНЖ5-1 и МНЖМц10-1-1 и 0,006 -0,015% на сплаве МНЖМц30-1-1.

3. Исследована структура и механические свойства слитков, отлитых по стандартной технологии и с применением модификаторов. Зафиксировано измельчение микро- и макроструктуры слитков при применении в качестве

модификаторов лигатуры Ni-Mg-Ce и Ti. Предел прочности при растяжении сплавов МНЖМц30-1-1 и МНЖ5-1 в литом состоянии увеличился на 7% и на 4,8% соответственно. Относительное удлинение сплава МНЖМц30-1-1 осталось на прежнем уровне, а сплава МНЖ5-1 возросло на 8,59%.

4. Исследовано влияние покровных флюсов в печи и кристаллизаторе на качество слитков сплава МНЖМц30-1-1. Положительные результаты получены при использовании в качестве покрова в печи смеси состава: окись кальция, кальцинированная сода и медная окалина в соотношении 1:1:1. Использование рафинирующего флюса при плавке в печи дает снижение содержания серы на 30-50 %, углерода - на 20-40 %. Покровный флюс состава, масс. %: Na2B8013 60, CaF2 26, А12Оз 14 может быть использован для покрова металла в кристаллизаторе взамен сажи. Металлографический анализ показал, что полученные слитки имеют мелкозернистую структуру. Использование данного покрова в кристаллизаторе ведет к увеличению теплосъема с поверхности расплава в кристаллизаторе, что приводит к сокращению глубины лунки металла на 14 % (с 610 мм до 530 мм), уменьшает неравномерность затвердевания слитка по периметру и дает возможность интенсифицировать процесс вытягивания слитка без образования внутренних горячих трещин.

5. Результаты исследования положены в основу совершенствования технологии процесса литья сплавов МНЖ5-1, МНЖМц10-1-1 и МНЖМц30-1-1, внесены изменения в технологическую документацию по плавке и литью. Результаты работы опробованы в производственных условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мысик Р.К., Лащенко Д.Д., Титова А.Г., Брусницын СВ. Влияние технологических параметров на глубину лунки при полунепрерывном литье сплава МНЖ5-1 // Литейщик России. 2004. №11.

2. D.D. Lashchenko, S.V. Brusnitsyn, R.K. Mysik, A.G. Titova, V.N. Demakov The question ofproducing high quality ingots from Cu-Ni alloys // Polish

academy of sciences branch katowice foundry commission /Archives of foundry. Volume 4. №11. Tom2. Kotowice. 2004.

3. Мысик Р.К., Лащенко Д.Д., Титова А.Г., Брусницын С.В. Применение рафинирующих и покровных материалов при плавке и литье сплава МНЖМц30-1-1. Сб. науч. тр. 1 Российской конференции по трубному производству «Трубы России - 2004». Достижения в теории и практике трубного производства. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ». 2004. С. 244246.

4. Мысик Р.К., Лащенко Д.Д., Брусницын СВ., Вайс И.А. Исследование влияния рафинирующих и покровных флюсов на качество слитков из сплава МНЖМц30-1-1 // Научные труды 4 отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: Сб. тезисов. 4.1. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2003. С.45-46.

5. Мысик Р.К., Лащенко Д.Д., Брусницын СВ. Исследование теплообменных процессов, протекающих в непрерывнолитых слитках сплава МНЖ5-1 // Литейщик России. 2004. №12.

6. Патент № 2002134077 РФ. Способ выплавки меди и медных сплавов. Задиранов А.Н., Титова А.Г., Кузьмин О.С, Козин Д.А., Лащенко Д.Д., Ершов И.И., 2004.

7. Патентная заявка № 2004114550 (8732) РФ, приор, от 15.03.04. Лигатура для модифицирования и легирования сплавов. Мысик Р.К., Логинов Ю.Н., Брусницын С.В., Рязанцев Ю.В., Лащенко Д.Д., Титова А.Г., Кузьмин О.С

Подписано в печать Формат 60x84 11/16 Бумага писчая

Офсетная печать Тираж 75 Заказ № 188

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19

«658 6

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Свойства и область применения медно-никелевых сплавов

1.2. Проблемы получения качественных литых заготовок из медно- 11 никелевых сплавов при полунепрерывном литье.

1.2.1. Образование газовой пористости в отливках

1.2.2. Причины образования трещин в отливках. 21 Задачи исследования

2. Методики исследования

2.1. Оборудование и материалы, использованные в работе

2.2. Методика обработки статистических данных

2.3. Методы экспериментальных исследований

2.3.1. Определение температурного поля в кристаллизующемся 31 слитке

2.3.2. Металлографическое исследование микроструктуры литых и 33 прессованных заготовок

2.3.3. Исследование качества слитка

3. Анализ существующих технологических режимов

3.1. Исследование теплообмена слитка сплава МНЖ5-1 с 35 кристаллизатором при полунепрерывном литье по существующей технологии

3.2. Влияние технологических параметров на глубину лунки при 50 полунепрерывном литье сплава МНЖ5

3.3. Выводы к третьей главе

4. Модифицирование медно-никелевых сплавов

4.1. Терминология и классификация

4.2. Анализ процессов упрочнения металлов на разных уровнях 69 структуры

4.3. Обоснование выбора модификаторов

4.4. Влияние модифицирования на структуру изучаемых сплавов 81 системы Cu-Ni-Fe-Mn

5. Исследование влияния флюсов на качество литых заготовок из медно-никелевых сплавов

5.1. Подбор состава флюса в кристаллизаторе при разливке медно- 97 никелевых сплавов

5.2 Подбор покровного материала в печи при разливке медноникелевых сплавов

5.3 Расчет расхода покровной смеси в печи 117 5.4. Выводы к пятой главе

6. Промышленное опробование технологии модифицирования медно-никелевых сплавов

6.1. Модифицирование сплава МНЖМцЗО-1

6.2. Модифицирование сплава МНЖ5

6.3. Выводы к шестой главе 134 Выводы по работе 139 Список использованных источников 141 Приложения

В настоящее время медно-никелевые сплавы используются в различных отраслях промышленности нашей страны и за рубежом. Эти сплавы обладают высокими антикоррозионными свойствами и имеют хорошую пластичность. Медно-никелевые сплавы идут на изготовление деталей ответственного назначения и применяются в теплообменпых аппаратах, приборах и других устройствах. Поэтому к этим сплавам предъявляются жесткие требования как по химическому составу, так и по плотности.

Формирующийся в стране рынок диктует производству свои условия. В настоящее время остро стала ощущаться нехватка чистых шихтовых материалов, все чаще в составе шихты " приходится использовать вторичное сырье. В связи с этим назрела острая потребность в усовершенствовании существующих технологий для получения качественной продукции, соответствующей запросам потребителей.

Известно, что качество готового изделия начинает формироваться на самом первом этапе производства - при плавке и литье. Поэтому особое значение следует придавать получению качественных плотных слитков. Существующая технология полунепрерывного литья медно-никелевых сплавов обеспечивает высокую производительность установок и позволяет получать однородные по химическому составу слитки для дальнейшего прессования, но не в состоянии обеспечить стабильного получения плотных заготовок, без внутренних трещин и внутренней газовой пористости. Медно-никелевые сплавы - это широкоинтервальные сплавы, поэтому они обладают широкой зоной твердо-жидкого состояния. Формированию усадочной пористости способствует значительная разветвленпость столбчатых кристаллов, образующих «лес» дендритов, которые препятствуют доступу жидкой фазы. Тем самым создаются благоприятные условия для образования пор.

В связи с низкой теплопроводностью сажи, используемой в качестве покрова в кристаллизаторе, теплоотвод с поверхности расплава практически отсутствует. Это приводит к тому, что перепад температуры в поперечном сечении слитка достигает значительных величин (свыше 700 °С на выходе слитка из кристаллизатора), тем самым способствует возникновению внутренних напряжений и образованию трещин в центральной зоне слитка.

В случае отливки медно-никелевых сплавов в глухой кристаллизатор в слитках наблюдается газовая пористость. Очевидно, содержащийся в расплаве никель растворяет значительное количество водорода и отсутствие кольца сосредоточенного струйного охлаждения обуславливает такие условия охлаждения, которые приводят к увеличению объема жидко-твердой фазы, в которой и происходит формирование газовой пористости.

При этом особое внимание было уделено решению следующих задач: исследованию теплофизических условий формирования слитков из медно-никелевых сплавов на примере МНЖ5-1, МНЖМц 30-1-1, МНЖМц 10-1-1 при полунепрерывном литье;

- исследованию микро- и макроструктуры медно-никелевых сплавов на примере МНЖ 5-1, МНЖМц 30-1 -1, МНЖМц 10-1-1; усовершенствованию технологического регламента полунепрерывного литья слитков МНЖМцЗО-1-1, МНЖ 5-1 и МНЖМц 10-1-1; исследованию влияния модифицирования на миро-, макроструктуры и механические свойства слитков и тянутых труб из сплавов МНЖМц30-1-1, МНЖ 5-1 и МНЖМц 10-1-1.

При решении этих задач в работе использованы следующие методы исследований:

- металлографический - для изучения микро- и макроструктуры и исследованию механических свойств медно-никелевых сплавов;

- химический и рентгеноспектральный - для определения химического состава сплавов;

- термографический для определения изменения температуры при кристаллизации медно-никелевых сплавов;

- математический для выявления зависимости глубины лунки от скорости вытягивания.

Результаты лабораторных и промышленных экспериментов позволили усовершенствовать технологию полунепрерывного литья заготовок сплавов МНЖМц 30-1-1 и МНЖ 5-1, улучшить эксплуатационные и технологические свойства этих сплавов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

5. Результаты исследования положены в основу совершенствования технологии процесса литья сплавов МНЖ5-1, МНЖМцЮ-1-1 и МНЖМцЗО

1-1, внесены изменения в технологическую документацию по плавке и литью. Результаты работы опробованы в производственных условиях.

1. Тихонов Б.С. Тяжелые цветные металлы и сплавы / Справочник. Том1. М.: ЦНИИЭИцветмет, 1999. 386 с.

2. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белов А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1970 . 364 с.

3. ГОСТ 492-73 Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки. / под ред. Т.В. Смыка. М.: Издательство стандартов, 1973.

4. Литейное производство / Учебник для металлургических специальностей вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 223 с.

5. Флеминге М. Процессы затвердевания / Пер. с англ.; Под ред. А.А. Жукова и Б.В. Рабиновича. М.: Мир, 1977. 424 с.

6. Баландин Г.Ф Основы теории формирования отливок. М.: Машиностроение, 1976 .4.1. 338 с.

7. Чернов Д. К. Наука о металлах. В кн.: Труды Д. К. Чернова / Под редакцией Н. Г. Рубцова. М.- JL: Металлургиздат, 1950. 564 с.

8. Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др. / Под ред. Л.Я. Козлова. М.: МИСИС, 2003. 352 с.

9. Милицын К.Н., Ловчиков B.C., Суворов A.M. Плавка и литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1956. 662 с.

10. Ю.Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. М.: Машиностроение, 1985.400 с.

11. П.Головешко В.Ф., Кандарюк В.В. Опыт ЛПО «Красный выборжец» по повышению качества литья из меди и сплавов на медной основе. Л.: ЛДНТП, 1982. 16 с.

12. Горшков Е.И. Литье слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1952 .416 с.

13. Альтман М.Б. и др. Плавка и литье сплавов цветных металлов. М.: Металлургиздат, 1963.

14. В.В. Соболев П.М. Трефилов Процессы тепломассопереноса при затвердевании непрерывных слитков. Красноярск: Издательство красноярского университета, 1984. 256 с.

15. A.M. Кац, Е.Г. Шадек Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983. 207 с.

16. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: МАШГИЗ, 1960. 433 с.

17. Чурсин В.М. , Бибуля П.Н. Технология цветного литья. М.: Металлургия, 1967. 252 с.

18. Добаткин В.И. Непрерывное литье и литейные свойства сплавов. Оборонгиз, 1948. Ч.З. 154 с.

19. Курдюмов. А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Литейное производств цветных и редких металлов. М: Металлургия, 1982. 352 с.

20. Евтеев Д.В., Колыбалов И.А. Непрерывное литье стали. М.: Металлургия, 1984. 200 с.

21. Рутес В.С, Гуглин Н.Н., Евтеев Д.П. и др. Непрерывная разливка стали в сортовые заготовки. М.: Металлургия, 1967. 145 с.

22. Бочвар А.А., Добаткин В.И. / О температурной кривой начала линейной усадки бинарных сплавов // Изв. АН СССР, ОТН. 1945. №1-2.

23. Бочвар А.А. Свидерская З.А. / О разрушении отливок под действием усадочных напряжений в период кристаллизации в зависимости от состава // Изв. АН СССР, ОТН. 1947. №3. с. 349-354.

24. Рутес B.C., Аскольдов В.И., Евтеев Д.П. и др. Теория непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1979. 335 с.

25. Влияние скорости потока воды на отвод тепла в кристаллизаторе / В.Ф. Головешеко, A.M. Кац, А.Г. Володина и др. // Цветные металлы. 1972. №12. С.72-73.

26. Исследование форсуночных систем охлаждения при непрерывном литье / Е.Г. Шадек, A.M. Кац, В.Ф. Говевешко и др. // Цветные металлы. 1981. №1. С. 71-73.

27. Дмитриева Г.С., Шлепцов В.Ф., Головешко В.Ф. / Трещинообразование при полунепрерывном литье плоских слитков меди // Цветные металлы. 1971 .№5. С. 75-78.

28. Головешко В.Ф., Соколов Б.Л. / Некоторые особенности формирования твердой корки слитка в кристаллизаторе // Цветные металлы. 1986. №4. С. 68-69.

29. Гуляв Б.Б Современное состояние изучения процессов затвердевания металлов. Сб. Труды второго совещания по теории литейных процессов. М.: Машгиз, 1958. С. 5-32.

30. Ливанов В.А. Металлургические основы непрерывного литья. Сб. Труды технологической конференции. М.: Оборонгиз, 1945. С. 5.

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

32. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. М.: Металлургия, 1969. 185 с.

33. Мадянов A.M. Суспензионная разливка. М.: Металлургия, 1969. 185 с.

34. Титова А.Г. Исследование и разработка способов интенсификации процесса затвердевания и получения слитков из сплавов на основе меди. Дис . к.т.п. Свердловск. У ПИ. 1981. 120 с.

35. Нехендзи Ю.А. Стальное литье. М.: Металлургиздат, 1948. 767 с.

36. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали. М: Металлургиздат, 1960. 228 с.

37. Хворинов Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали. М.: Машгиз, 1958. 392 с.

38. Рыжиков А.А. и др. Совершенствование технологии стального литья. М.: Машиностроение, 1977. 143 с.

39. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. В.И.Напалков, Б.И.Бондарев, В.И. Тарышкин и др. М: Металлургия, 1983. 160 с.

40. Ковнеристый Ю.К., Алисова С.П., Будберг П.Б. Физико-химический аспект синтеза аморфных композиций. Сб. Физико-химические исследования металлургических процессов. Вып. 14. Свердловск. УПИ. 1986. С. 18-24.

41. Никитин В.И., Парамонов A.M., Попель П.С., Павлов В.А. Влияние получения лигатуры Al-Ti на дисперсность выделений TiAb. Сб. Физико-химические исследования металлургических процессов. Вып. 14. Свердловск. УПИ. 1986. с. 87-92.

42. Rolth Aluminium. 1943. №2.

43. Hurtuk D.J. , Travares A.A. The Effect of Superheat and Chemistry on Steel Solidification Structure Trans. Amer. Foundry men. Vol 83. Des Plaines 3. 1975. P. 423-428.

44. Uran S.Z., Flemings M.C., Taylor H.F. High Strength Cast Steel Structure and Microporosity Effect on Mechanical Properties. AFS Transactions. 1960. Vol. 68. P. 347.

45. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск: Металлургиздат, 1960. 175 с.

46. Wallace Yrain Refenement, General Review, Jornal of Metals. 1963. P. 372376.

47. Фриндляндер И.Н. Исследование влияния скорости затвердевания на структуру и свойства алюминиевых сплавов. Сб. Затвердевание металлов. М.: Машгиз, 1958. С. 175-298.

48. U.Houbner, E.Lossak, В. Princ. Aktuelle Problem des Sdranggiebens. Deitsche fur Metallkunde. 1981. №3. s. 149-160.(У. Хойбнер, Э. Лоссак, Б. Принц. Актуальные вопросы непрерывной разливки металлов. Перевод с нем. М.: Гипроцмо, 1981. 32 е.).

49. Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Владимир: Владимир, гос. ун-т., 2000. 260 с.

50. В.Я. Генкин, А.Т. Тесаулов, М.И. Староселецкий и др. Непрерывнолитые круглые заготовки. М.: Металлургия, 1984. 143 с.

51. ГОСТ 21073.2-75 «Определение величины зерна методом подсчета зерен» / под ред. В.В. Чекменева. М.: Издательство стандартов, 1975.

52. Акименко А.Д. Тепловой расчет установок непрерывной разливке стали. Горький: Волго-Вятсокое кн. изд-во, 1965. 60 е., с ил.

53. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск: Металлургиздат, 1960. 175 с.

54. Головешко В.Ф. Опыт ЛПО «Красный выборжец» по интенсификации процесса литья меди и медных сплавов в свете реализации программы «Интенсификация-90». Л.: ЛДНТП, 1986. 28 с.

55. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1964. 214 с.

56. Гаврилин И.В. Что дают исследования строения жидких сплавов для практики литья // Литейное производство. 1988. №9. С. 3-4.

57. Крушенко Г.Г. Повышение свойств алюминиево-кремниевых сплавов путем их обработки в жидком состоянии // Свойства расплавленных металлов. М.: Наука, 1974. С. 78-82.

58. Ухов В.Ф., Ватолин Н.А., Гальчинский Б.Р. Межчастичное взаимодействие в жидких металлах. М.: Наука, 1974. 192 с.

59. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металлургия, 1976. 376 с.

60. Марч Н.Г., Тоси М. Движение атомов жидкости / перг'с англ. М.: Металлургия, 1980. 296 с.

61. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 376 с.

62. Еланский Г.Н., Кудрин В.А. Строение и свойства жидкого металла -технология плавки качество стали. М.: Металлургия, 1984. 239 с.

63. Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. М.: Металлургия, 1984. 208 с.

64. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости. Л.: Наука, 1976. 592 с.

65. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. 247 с.

66. Бабаскин Ю.З. Структура и свойства литой стали. Киев: Наукова думка, 1980.240 с.

67. Архаров В.И. Исследование по диффузии и внутренней адсорбции в металлах и сплавах // Труды института физики металлов. УФАН СССР. 1955. Вып. 16. С. 7.

68. Затуловский С.С. Суспензионная разливка. Киев: Наукова думка, 1981. 260 с.

69. Ермолаев К.Н., Вертман А.А., Самарин A.M. О механизме модифицирования металлов // Свойства расплавленных металлов. М.: Наука, 1974. С. 70-74.

70. Шульте Ю.А. Неметаллические включения в электростали. М.: Металлургия, 1964 . 207 с.

71. Гаврилин И.В., Ершов Г.С., Каллиопин И.К. О выборе рациональных модификаторов для стали. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1974. №10. С. 135-141.

72. Вишкарев А.Ф., Близшоков С.А., Явойский В.И. Теоретические основы комплексного раскисления стали. // Влияние комплексного раскисления на свойства стали. М.: Металлургия, 1982. С. 4-11.

73. Природа неметаллических включений в крупных слитках модифицированной стали для энергомашиностроения Ю.Я. Скок, В.А. Ефимов, Е.Д. Таранов и др. // Влияние комплексного раскисления на свойства сталей. М.: Металлургия, 1982. С. 97-105.

74. Жуков А.А. Добровольский И.И. Электронные конфигурации в чугунах, содержащих кремний, медь, ванадий // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. Омск: ОмПИ, 1982. С. 107-112.

75. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. 272 с.

76. Барий в ресульфурированной кальциевой стали А.Я. Заславский, З.Ф. Гусева, Т.А. Комисарова и др. // Способы повышения эффективности применения легирующих, раскислителей и модификаторов. Тез. всесоюз. науч.-техн. семинара. 1984. С. 30-31.

77. Лунев В.В. Эффективность модифицирования электростали РЗМ и ЩЗМ для отливок ответственного назначения // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. Омск. 1981. С. 36-46.

78. Афтадилянц Е.Г., Бабаскин Ю.З. Влияние модифицирования добавками . азота и ванадия на структуру и свойства среднеуглеродистой стали // Литейное производство. 1981. №12. С. 14-15.

79. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твердых металлов. М.: Металлургия, 1978.231 с.

80. Столофф Н.С. Влияние легирования на характеристики разрушения // Разрушение металлов. / Пер. с англ.; под ред. М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1976. Том 6. С. 11-85.

81. Сабуров В.П. Разработка и внедрение технологии суспензионного модифицирования стали и никелевых сплавов. Диссертация насоискание ученой степени доктора технических наук. Омск. ОмПИ, 1991.506 с.

82. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1977 . 224 с.

83. Сабуров В.П. Выбор модификаторов и практика модифицирования литейных сплавов. Омск: ОмПИ, 1984 . 94 с.

84. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. JL: Машиностроение, 1976. 320 с.

85. Turnbull D. Theory of catalyses nucleation by surfange patehes J. Chem. Phys. 1952, 20, m p. 411-418.

86. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. С. 248.

87. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. М.: Машиностроение, 1973. С. 297.

88. Рыжиков А.А. Теоретические основы литейного производства. М.: Машгиз, 1971. С. 322.

89. Григорович В.К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа. М.: Наука, 1970. 400 с.

90. Tiller W., Takahashi Т. // Acta metallurgica/ 1969, 17, N4. p. 483.

91. Воздвиженский B.M. Прогноз двойных диаграмм состояния. М.: Металлургия, 1975. 260 с.

92. Гаврилин И.В., Каллиопин И.К., Ершов Г.С. Модифицирование титаном стали, содержащей азот// Изв. Вузов. Черная металлургия.

93. Мысик Р.К., Титова А.Г. и др. Изыскание путей повышения плотности мельхиоровых слитков. Отчет. Ревда. 1985. 19 с.

94. Салтыков Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 271 с.

95. Затвердевание и разливка стали под жидкой средой A.M. Мадянов, Р.Б. Чуднер, В.Е. Пермижин и др. М.: Металлургия, 1965. 90 с.

96. Ефимов В.А. Теплофизические процессы и методы управления формированием отливок и слитков. Тепловые процессы в отливках и формах. Труды XV совещания по теории литейных процессов. М.: Наука, 1972. С. 15-21.

97. Скворцов А.А. Акименко А.Д. Теплопередача и затвердевание стали в установках непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1966. 190 с.

98. Ефимов В.А., Осипов В.П., Гребешок В.П. Пути усовершенствования разливки стали. М.: Металлургиздат, 1963. 184 с.

99. Милн-Томсон J1.M. Теоретическая гидродинамика. М.: Мир, 1964. 655 с.

100. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. 4.11. М.: Металлургия, 1966. 704 с.

101. Колпаков А.И., Бобкова О.С., Рутес B.C. / Информация ин-та «Чермет информация». 1967. № 6. Серия 6. С. 3-23.

102. Мусихин В.И. Кудряшов В.Н. Вязкость и электропроводность жидких боратов лития, магния, калия, бария. В сб. / Строение и свойства металлургических расплавов // Труды ин-та металлургии АН СССР Уральского научного центра. Свердловск. 1974. С. 91-96.

103. Тропотов Н.А. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 3. JI.: Наука, 1972. 448 с.

104. Есин О.А. о комплексных ионах в расплавленных шлаках. В сб. / Строение и свойства металлургических расплавов. АН СССР Уральский научный центр. Свердловск. 1974. С. 76-90.

105. Ефимов В.А., Ищук Н.Я., Осипов П.В. и др. Бюл. ин-та «Чермет информация». 1985. № 11. С .3-5.

106. Мысик Р.К. Исследование влияния некоторых технологических факторов на формирование и свойства слитков из медных сплавов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Свердловск.: УПИ, 1976. 199 с.

107. Поручиков Ю.П., Мысик Р.К., Титова А.Г. Разливка меди и медных сплавов под жидкими шлаками. М. Обзорная информация. 1981.

108. Юдкин B.C. Производство и литье сплавов цветных металлов. М.: Металлургия, 1967. 4.1. С. 384.

109. Институт проблем литья АН УССР. Проблемы стального слитка. № 6. Киев: Наукова думка. С. 181-187.

110. Леви Л.И. К теории плавки металлов. В сб. Вопросы теории литейных процессов. М.: Машгиз, 1960. С. 253 -313.

111. Зальманг Г. Физико-химические основы керамики. М.: Госстойиздат, 1959. С. 214.

112. Патент № 2002134077 Способ выплавки меди и медных сплавов. А.Н.Задиранов, А.Г. Титова, О.С. Кузьмин, Д.А. Козин, Д.Д. Лащенко И.И. Ершов.

113. Р.К. Мысик, Д.Д. Лащенко, С.В. Брусницын, А.Г. Титова Влияние технологических параметров на глубину лунки при полунепрерывном литье сплава МНЖ5-1 //Литейщик России. 2004. №11.

114. Фронт кристаллизации слитка сплава МНЖМцЗО-1-11

115. Удаление от центра слитка, мм

116. Кинетика нарастания твердой корочки при кристаллизации слитка сплава МНЖМцЗО-1-1

117. Скорость нарастания твердой корочки металла при отливке слитка сплава МНЖМцЗО-1-11. Чорз = Г " 0,29171. V.0,2 = 0,1806