автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Механизм образования точечных поверхностных дефектов на хромистых сталях и разработка способов их предупреждения при литье в керамические формы

На правах рукописи

ЧИЖОВА Евгения Владимировна

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ НА ХРОМИСТЫХ СТАЛЯХ И РАЗРАБОТКА

СПОСОБОВ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПРИ ЛИТЬЕ В КЕРАМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

Специальности: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение); 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

ПЕНЗА 2014

005554978

005554978

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель —

Официальные оппоненты:

Ведущая организация —

кандидат технических наук, доцент Голотенков Олег Николаевич

Выбойщик Михаил Александрович,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика»;

Коровин Валерий Александрович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева», доцент кафедры «Металлургические технологии и оборудование»

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «¿2 » 2014 г., в !Ч_ ча-

сов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» и на сайте http://science.pnzgu.ru/page/13788

Автореферат разослан « $ Ф2014 1

Ученый секретарь

диссертационного совета / ' Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отливки, получаемые методом литья в керамические формы, преобладают в изделиях точного машино- и приборостроения. Постоянно возрастающие требования к качеству выпускаемой продукции приводят к необходимости совершенствования технологии литейного производства.

Проблемой получения отливок из хромистых сталей с содержанием хрома от 10 до 20 %, изготовленных методом литья в керамические формы, является склонность к образованию специфических точечных поверхностных дефектов (ТПД), приводящих к браку отливок. Под ТПД рассматриваются неметаллические включения диаметром от 0,5 до 3 мм и глубиной до 0,8 мм.

Способ литья в керамические формы предусматривает получение отливок, требующих минимальное количество механической обработки. Как правило, к таким отливкам предъявляются повышенные требования к качеству поверхности, точности размеров, форме и механическим свойствам. Неровности поверхности в виде ТПД служат концентраторами напряжения, снижающими прочностные свойства материала, и причиной преждевременной коррозии. Для ряда изделий ТПД техническими требованиями не допускаются.

Анализ литературных данных свидетельствует об отсутствии достоверных сведений об условиях возникновения и предупреждения образования ТПД, что не позволяет разработать эффективные технологические решения по их предупреждению и устранению. В связи с этим направление данной работы является весьма актуальным.

Научная и практическая значимость исследований подтверждается присуждением премии ГК «Росатом» в соответствии с Положением о молодежном конкурсе «Инновационный лидер атомной отрасли» и приказом ГК «Росатом» от 01.02.2013 № 1/96-П.

Объект исследования — отливки из хромистых сталей, полученные путем литья в керамические формы.

Предмет исследования - процессы и технологические условия, влияющие на образование ТПД отливок из хромистых сталей, и способы их предупреждения при литье в керамические формы.

Целью диссертационной работы является установление механизма и причин образования точечных дефектов на поверхности хромистых сталей при литье в керамические формы и разработка способов их предупреждения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить группы реакций, определяющие физико-химические процессы, при литье хромистых сталей в керамические формы, приводящие к образованию ТПД.

2. Определить условия формирования оксидной пленки на поверхности расплава хромистой стали в процессе заполнения керамической формы и установить взаимосвязь между распределением оксидной пленки в форме с местами образования ТПД.

3. Исследовать влияние технологических параметров получения отливок в керамических формах (скорость заполнения керамической формы, состав материала и температура керамической формы перед заливкой расплава, химический состав хромистой стали, температура заливки расплава, состав атмосферы) на образование ТПД.

4. Изучить химические составы и структуры неметаллических включений, образующихся в процессе получения отливок из хромистых сталей в керамические формы.

5. Выявить причины и механизм образования ТПД и разработать технологические мероприятия по предупреждению возникновения дефектов.

Методы исследований. Теоретические исследования базировались на положениях термодинамики, физической химии, гидравлики, металло-и материаловедения. Экспериментальные исследования включали: микроанализ на металлографических микроскопах Epihpont-200 и DM IRM, электронных сканирующих микроскопах JSM-6490LV и Phenom G2 pro; микро-рентгеноспектральный анализ с применением электронного микроскопа Sigma, оснащенного системой NCA Energy SEM, в конфигурацию которой входит установка Energy 350 с безазотным SDD детектором Х-Мах 80 (Platinum), и электронного микроскопа Суперпроб-733 с использованием энергодисперсионного микроанализатора Inca Energy; рентгеноструктур-ный анализ с применением дифрактометра D\MAX-2500. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных и аттестованных средств измерений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, результатами моделирования с применением программного комплекса ProCAST и Delphi, а также сходимостью с практическими результатами по предупреждению ТПД.

Научная новизна.

По специальности 05.16.09:

1. Установлены закономерности физико-химических процессов, происходящих на границе разделов гетерогенной структуры керамической формы, состоящей из кислого и основного слоев, на основе которых разработан новый способ изготовления керамической формы гетерогенного состава из кислого и основного кремнезолей и плавленого кварца, позволивший повысить ее прочность и снизить площадь поверхности отливок, пораженную ТПД.

2. Экспериментальными исследованиями установлена связь между структурой металла и условиями образования ТПД. Показано, что при на-

линии аустенитной фазы их количество существенно снижается в сравнении с металлами мартенситной и переходной фазами.

По специальностям 05.16.09 и 05.16.04:

3. На основе компьютерного моделирования и экспериментальных исследований установлен механизм, причины и места образования ТПД на отливках из хромистых сталей. Показано, что их появление в основном обусловлено окислительно-восстановительными и гидродинамическими процессами в керамической форме.

По специальности 05.16.04:

4. Разработан и научно обоснован способ литья в керамические формы, включающий их герметизацию с целью обеспечения изоляции карбюризатора от воздействия кислорода воздуха и сохранения восстановительной атмосферы, и установлены рациональные режимы литья, что позволяет исключить появление тугоплавких оксидов и предупредить образование ТПД.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика определения дефектной площади отливки с учетом заданных параметров и калибровочных единиц на основе распознавания изображения с помощью программного обеспечения. Это позволило установить влияние технологических параметров на площадь поражения ТПД и разработать технологические рекомендации по их устранению.

2. Разработаны технологические мероприятия по предупреждению возникновения ТПД. Они предусматривают повышение выхода годных отливок на 15-20 %.

3. Предложен способ герметизации собранных форм, позволяющий сохранить восстановительную атмосферу и предупредить образование ТПД.

4. Предложен способ изготовления многослойных форм, что обеспечило повышение прочности керамических форм и улучшение качества поверхности отливок.

На защиту выносятся.

По специальности 05.16.09:

1. Механизм образования ТПД на отливках из хромистых сталей.

2. Научное обоснование и способ изготовления многослойных форм гетерогенного состава из кислого и основного кремнезолей и плавленого кварца, обеспечивающий повышение качества поверхности отливок.

По специальности 05.16.04:

3. Научное обоснование и способ заливки герметизированных форм в сборе, позволяющий исключить окисление расплава металла, появление тугоплавких оксидов и предупредить образование ТПД.

4. Технологические режимы литья и рекомендации для получения отливок из хромистых сталей, позволяющие предупредить образование ТПД.

Соответствие паспортам научных специальностей. По специальности 05.16.09-пп. 1,2; по специальности 05.16.04-п. 12.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценте». Достигнутые результаты позволили устранить брак по ТПД для фасонных отливок рамочного и корпусного видов из хромистых сталей.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на

1 Международной научно-технической конференции «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (Москва, 2012), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, 2012), V Международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2012), III Молодежном конкурсе «Инновационный лидер атомной отрасли» (Обнинск, 2013), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Пензенского государственного университета (2009, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получены

2 решения о выдаче патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Работа изложена на 167 страницах основного текста, включает 65 рисунков и 32 таблицы. Список литературы содержит 118 наименований. Общий объем диссертации - 184 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены технические требования, предъявляемые к отливкам из хромистых сталей, выполнен обзор научных публикаций, посвященных вопросам исследования поверхностных неметаллических включений, образующихся в процессе получения отливок из хромистых сталей в керамических формах, и способов предупреждения образования ТПД. Данный анализ показал, что хромистые стали, помимо склонности к образованию ТПД, обладают склонностью к образованию тугоплавких хромистых плен. К основным факторам, способствующим пленообразованию, относят температуру металла и состав контактирующей с металлом атмосферы в форме.

Установлено, что в работах, посвященных исследованию ТПД, нет достоверного объяснения, почему данные специфические дефекты образуются только на отливках из хромистых сталей с содержанием хрома от 10 до 20 % и только в тонких участках отливок (~ 3 мм).

Вместе с этим отсутствует единое мнение относительно причин и механизма образования ТПД. Определено, что основными научными взглядами на эту проблему являются следующие:

1) образование ТПД происходит в результате протекания окислительных реакций на границе раздела металл-форма, приводящих к взаимодействию оксидов железа с оксидом кремния: 2FeO + Si02 = 2FeO ■ Si02. Протекание реакций усугубляется попаданием в расплав шлака из плавильного тигля и повторным окислением добавляемых в металл раскисли-телей (В. С. Ларин, Д. С. Тейлор, С. Мориквас);

2) образование ТПД происходит в процессе выделения газов из керамической формы и из затвердевающего металла (Н. Ф. Васильева, К. Мат-суно, С. Джонес);

3) образование ТПД происходит в результате попадания в расплав из плавильного тигля легкоплавких шлаковых соединений FeO - SÍO2 - МпО, образующихся в результате раскисления стали. При заполнении формы расплавом шлаковая пленка на зеркале металла разрывается и прилипает к стенкам формы, образуя ТПД. Образование дефектов усугубляется за счет реакции на границе раздела металл-форма. (Л. А. Берстнев).

Сделан вывод, что до сих пор остаются малоизученными химические составы и структуры неметаллических веществ, образующихся в процессе получения отливок из хромистых сталей в керамических формах. Основными составляющими ТПД являются магнетит Рез04, хромовая шпинель FeCr204, a-Fe, фаялит Fc2Si04 (в случае литья в кварцевые формы).

Выявлено, что в процессе заполнения керамической формы расплавом хромистой стали с содержанием хрома 10-20 % в воздушной атмосфере поверхность расплава покрывается специфической тугоплавкой оксидной пленкой, покрытой сферическими образованиями диаметром до 0,8 мм. Температура плавления такой оксидной пленки значительно превышает температуру плавления исходной хромистой стали (таблица 1).

Таблица 1- Результаты экспериментов по расплавлению оксидных пленок и сталей

Вариаш- Марка стали Температура

1673 К 1823 К 1873 К

Базовый Оксидная пленка стали 35Л Расплав Расплав Расплав

Сталь 35Л Твердая фаза Расплав Расплав

Исследуемый Оксидная пленка стали 10Х18Н9ТЛ Твердая фаза Твердая фаза (изменений нет) Началось спекание

Сталь 10Х18Н9ТЛ Началось плавление Расплав Расплав

Выдвинута гипотеза о том, что в образовании ТПД определяющую роль играют тугоплавкие оксиды сферической формы, образующиеся непосредственно в процессе заполнения керамической формы хромистой сталью.

Выполнен анализ и классификация способов предупреждения образования ТПД. Определено, что к наиболее общепризнанным способам борьбы с ТПД относятся: плавка и заливка хромистых сталей в вакууме; изготовление керамических форм из химически стойких по отношению к оксидам металла материалов; создание восстановительной атмосферы в форме путем введения в ее состав углеродосодержащих веществ. Показано, что разработанные способы не позволяют в полной мере исключить образование ТПД. В связи с этим необходимо провести дополнительные исследования процесса образования ТПД и разработать эффективные технологические мероприятия по их предупреждению.

Вторая глава посвящена исследованию динамики поверхностного окисления хромистой стали.

Выдвинута гипотеза о том, что ТПД образуются на отливках, расположенных в верхних ярусах блока отливок на тонких стенках, находящихся на удаленном от питателя (ей) расстоянии.

Для выявления отличительных особенностей процессов заполнения и затвердевания дефектных и бездефектных областей отливок был использован программный комплекс ProCAST. Моделирование процесса окисления расплава во время заливки формы с помощью ProCAST показывает, что максимальное количество окисленного расплава попадает в верхний ярус блока отливок (рисунок 1). Также моделирование позволило сделать вывод, что места образования дефектов совпадают с местами остановки фронта потока заливаемого металла в тонких частях отливки, время затвердевания которых не превышает 150-160 секунд.

На отливках с одним литником ТПД образуются в удаленных от него местах, преимущественно в верхней части отливки. На отливках с несколькими литниками ТПД образуются в местах встречи потоков металла, а также в удаленных от литников местах. Средняя толщина стенок отливок, подверженных поражению ТПД, составляет ~ 3 мм. Скорость заполнения таких стенок, как показывает моделирование в ProCAST, изменяется в широких пределах в зависимости от динамического напора, расхода металла из ковша и расположения отливки в блоке. Тем не менее скорость заполнения тонких стенок отливок, расположенных в верхних ярусах блока, редко превышает 0,2 м/с, что указывает на ламинарный характер течения расплава в них (рисунок 2).

Достоверность результатов компьютерного моделирования в программе ProCAST с практическими результатами подтверждена специально разработанными и выполненными экспериментами.

ProCAST позволяет производить только качественный анализ процесса окисления расплава во время заполнения формы. Для проведения количественного анализа объема оксидной пленки, образующейся во время заполнения формы, и выбора рациональных технологических параметров литья было написано специальное программное обеспечение в среде программирования Delphi (рисунок 3). В основе модели лежат законы роста оксидных пленок и схема процесса, представленная на рисунке 4.

Ф 6000

пз 5000

5 4000 г

3000

а>

2 2000 X

а> юоо

I о

Рисунок 2 - Зависимость числа Яе от скорости потока и диаметра канала

канала, м

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

скорость потока, м/с

«Г» Р::'Р

Т РгоСАвТ

Рисунок 1 - Результат моделирования окисления расплава и отливка с ТПД

Согласно схеме на рисунке 4 процесс течения расплава в полости литейной формы представляется как движение потока в оболочке оксида, которая с боков прижата к стенкам формы и неподвижна, а на зеркале расплава постоянно нарастает за счет окисления и одновременно растягивается движущимся потоком.

Рисунок 3 - Программное обеспечение

Алгоритм работы программы состоит в последовательном определении объемов оксидной пленки, образующейся в полости литейной формы и на струе расплава во время заливки формы, и суммировании полученных объемов.

Выполнен термодинамический анализ реакций, происходящих в процессе получения отливок из хромистых сталей в керамических формах.

Установлены группы реакций хромистых сталей, учитывающие взаимное влияние основного компонента (Ре) на ход протекания реакций, приводящие к образованию ТПД:

а) реакции окисления компонентов хромистой стали в растворе жидкого железа;

б) реакции восстановления оксидов хромистой стали ее компонентами;

в) реакции взаимодействия между оксидами хромистой стали;

г) реакции взаимодействия оксидов хромистой стали с материалом формы.

Также с помощью расчетов показано, что физико-химические реакции между формой и хромистой сталью в интервале температур заливки и затвердевания стали невозможны. Необходимым условием для начала химического взаимодействия хромистой стали с формой является наличие оксидов стали в контактной зоне.

Расчетным путем установлено, что с повышением температуры теряется восстановительная способность Сг по отношению к БеО. После разбавления хрома в жидкой стали и повышения температуры в печи окис-ляемость хрома снижается, соответственно изменяется состав оксидной пленки. Химический состав оксидной пленки, образующейся на поверхности готового расплава в процессе его заливки в форму, отличается от состава оксидной пленки на поверхности, готовящегося в печи расплава, преобладанием в ней оксидов железа (таблица 2).

Таблица 2 - Усредненный химический состав оксидной пленки стали 09Х16Н4БЛ

Вариант Химический состав, %

51 Сг Мп Ие N1

Базовый 6,46 34,51 8,91 14,00 0,07

Исследуемый 0,19 9,27 1,15 49,24 1

Расчетным путем установлено, что повышение температуры расплава, его качественное раскисление и снижение давления кислорода в газовой фазе останавливают прохождение реакций окисления компонентов хромистой стали, что снижает образование ТПД.

Анализ физико-химических процессов на границе контакта кварцевой керамической формы с хромистой сталью показал, что в отличие от системы Р'еО-ЯЮг в системе Сг2Оз-8Ю2 химические соединения отсутствуют. Однако высокая температура способствует образованию в системе РеСг204-5Ю2 раствора Ре28Ю4 и Сг20з. Замена кварца кристаллического на более химически стойкие к оксидам хромистой стали огнеупорные формовочные материалы (электрокорунд, плавленый кварц) позволяет уменьшить физико-химическое взаимодействие металл-форма и размер ТПД.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ТПД.

Для изучения процесса образования ТПД на отливках из хромистых сталей при литье в керамические формы были выделены следующие технологические параметры: материал керамической формы; температура керамической формы перед заливкой расплава; химический состав хромистой стали; температура заливки расплава; режимы литья; состав атмосферы.

Для оценки результатов исследования влияния технологических параметров на образование ТПД разработана методика определения дефектной площади отливки с учетом заданных параметров и калибровочных единиц на основе распознавания изображения отливки с помощью программного обеспечения «Adobe Photoshop» и «ImageJ».

Исследования показали:

1. Диаметр и глубина ТПД на отливках, полученных в формах на основе кристаллического кварца, в среднем в 2,5 и 1,33 раза соответственно превышают диаметр и глубину ТПД на отливках, полученных в формах на основе электрокорунда и плавленого кварц (таблица 3).

Таблица 3 - Влияние состава керамической формы на размер ТПД (сталь 09Х16Н4БЛ, Т заливки - 1873 К, Т формы - 1073 К)

Материал формы Средний диаметр дефекта, мм Максимальная глубина дефекта, мм

Кварц кристаллический 2 0,8

Электрокорунд 0,8 0,6

Плавленый кварц 0,8 0,6

2. Увеличение температуры заливки расплава приводит к снижению площади поражения отливок ТПД (рисунок 5).

4 3 -I-1-,-г-т-

1783 1823 1863 1903 1943 1983 Температура запивки. К

Рисунок 5 - Влияние температуры заливки на площадь поражения отливок ТПД (материал формы - кварцевый песок, Т формы - 1073 К)

Математическая обработка результатов экспериментов методом регрессионного анализа показала, что зависимость площади поражения отливок ТПД от температуры заливки расплава с высокой достоверностью описывается линейной функцией (таблица 4).

Таблица 4 - Зависимость площади поражения отливок ТПД от температуры заливки расплава

Сталь Регрессионная модель Коэффициент достоверности R2

10Х18Н9Л у =-0,03х +62,74 0.9931

09Х16Н4БЛ у =-0,0338х +72,176 0,9918

20Х13Л у =-0,025х + 56,575 1

3. Увеличение температуры керамической формы перед заливкой расплава приводит к снижению площади поражения отливок ТПД (рисунок 6).

16 15

14 -13 -12 11 10 9

09Х16Н4БЛ

-i.

6

673 773 873 973 1073 Температура формы, К

1173

1273

Рисунок 6 - Влияние температуры формы на площадь поражения отливок ТПД (материал формы - кварцевый песок, Т расплава - 1873 К)

Регрессионный анализ показал, что функция зависимости площади поражения отливок ТПД от температуры формы перед заливкой является линейным полиномом у = - 0,0181х + 27,982 с достоверностью Я2 = 0,9868.

Также повышение температуры расплава и формы способствует размягчению и размазыванию тугоплавких оксидных образований по поверхности формы.

4. Отливки из хромистых сталей, относящихся к аустенитному классу, менее подвержены ТПД, чем отливки из мартенситных сталей.

5. Увеличение количества карбюризатора, вводимого в опорный наполнитель формы для создания восстановительной атмосферы, оказывает положительное воздействие на снижение образования ТПД (рисунок 7). Однако полного исключения ТПД на отливках, находящихся в верхней части блока отливок, достигнуть не удалось.

£ 10

£ 9

о 8

5 7

8- 6

22 <

С 4

я X 3

1

- 0

09Х16Н4БЛ

5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Количество карбюризатора (по объему), %

а)

с£

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

К

09Х16Н4БЛ

•Н,

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 Количество карбюризатора (по объему), %

б)

Рисунок 7 - Влияние количества карбюризатора: а - на площадь поражения отливок ТПД; б- на процент отливок, пораженных ТПД

Регрессионный анализ показал, что функция зависимости площади поражения отливок ТПД от количества карбюризатора является линейным полиномом у = -0,6132х + 11,189 с достоверностью Я2 = 0,9842. Функция зависимости процента отливок, пораженных ТПД, от количества карбюризатора является полиномом второй степени у = 0,1б2х2- 5,6861х + 53,359 с достоверностью Я2 = 0,9987.

6. Заливка расплава через установленный в воронке формы керамический фильтр и копчение полости форм пламенем ацетилена (газообразный углеводород) не являются эффективными способами предупреждения образования ТПД.

Для исследования химического состава и структуры неметаллических включений, образующихся в процессе получения отливок из хромистых сталей в керамических формах, применялись металлографические и химические анализы.

Исследование микроструктуры показало, что в отливках из хромистых сталей присутствуют газовая пористость и оксидные включения

сложного состава, обладающие размерами от 2 до 80 мкм, что многократно меньше (от 30 до 1200 раз) размеров ТПД.

Исследование поверхностного слоя отливок с ТПД показало, что между ТПД и основным металлом присутствует четко выраженная граница раздела (рисунок 8). Однако в ней могут присутствовать участки проникновения оксидной фазы в металл на незначительную глубину (от 3 до 40 мкм).

Исследования металлооксидного слоя (рисунок 9) в кварцевой оболочке и оксидов хромистых сталей (рисунок 10) показали:

- кварцевая оболочка, контактирующая с дефектными участками отливок, пропитывается черным металлооксидным веществом (см. рисунок 9), которое в основном состоит из оксидов железа и кремния;

- оксидная пленка, образующаяся на зеркале расплава в процессе заливки формы, состоит из нескольких окисных слоев, наложенных друг на друга (см. рисунок 10). Основными компонентами пленки являются оксиды железа и хромовые шпинели. По мере удаления от исходного металла содержание хрома в пленке снижается.

Рисунок 8 - ТПД на отливке из стали 20Х13Л

Рисунок 9 - Оболочка с металлооксидным слоем

Исследования химического состава и структуры ТПД (рисунки 8, 11) указывают на их определенное сходство с оксидами хромистых сталей, образующимися на зеркале расплава в процессе заливки формы.

Рисунок 10 - Внешний (а) и внутренний (б) слои оксидной пленки стали 10Х18Н9Л

Рисунок 11 - Дефектная поверхность отливки до ее очистки

ТПД так же, как и оксидная пленка, состоят из нескольких окисных слоев, наложенных друг на друга. Их основными компонентами являются оксиды железа и хромовые шпинели. По мере удаления от исходного металла содержание хрома в дефектах снижается.

Полученные в результате исследований данные позволяют сделать вывод о том, что составы ТПД и сложных тугоплавких оксидов, образующихся на зеркале расплава в процессе заливки формы, сходны между собой, и тугоплавкие оксиды являются главной причиной образования ТПД.

В четвертой главе описан механизм образования ТПД и предложены технологические мероприятия по предупреждению возникновения дефектов.

Образование ТПД происходит следующим образом.

В процессе плавки хромистой стали по мере добавления новых компонентов шихты, их расплавления и растворения в основном расплаве происходит изменение химического состава оксидной пленки, образующейся на поверхности расплава. Добавка хрома в исходную шихту, обладающего по сравнению с железом большим сродством с кислородом, приводит к появлению вязкой тугоплавкой хромистой плены. По мере растворения хрома в основном расплаве изменяются его термодинамические характеристики и снижается интенсивность его окисления.

В растворенном состоянии входящие в состав хромистой стали легирующие компоненты окисляются совместно с железом; таким образом образуются сложные оксиды. Повышенное содержание хрома в расплаве (более 10 %) и его избирательное окисление приводит к появлению на поверхности расплава многослойной оксидной пленки, состоящей в основном из оксидов и хромитов железа.

На расплавах с низким содержанием хрома (менее 10 %) внутренний слой оксидной пленки в виде хромовой шпинели РеСг204 выражен слабо. Из-за низкого содержания в оксидной пленке Сг2Оз она является легкоплавкой.

Увеличение содержания хрома в расплаве от 10 до 20 % приводит к увеличению содержания сложной фазы Ре(РеСг)204 во внутренней зоне оксидной пленки. Также увеличивается температура плавления пленки; по сравнению с расплавом хромистой стали она становится тугоплавкой.

Оксидная пленка содержит в избытке оксид железа, поэтому диффузия железа через такую пленку протекает беспрепятственно. По мере того как оксид РеО удаляется от границы исходного расплава, возрастающее парциальное давление кислорода способствует переходу его на некотором уровне в оксид Ре304. В этот момент соединение РеО ■ Сг20з находится в благоприятных условиях для формирования шпинельных структур переменного состава. Однако из-за меньшего по сравнению с железом поступления хрома из расплава в оксидную пленку концентрация Сг203 в пленке по мере удаления от границы основного расплава падает. В результате во внешней части оксидной пленки, возникающей на расплаве с содержанием

от 10 до 20 % хрома, оксид Сг203 практически отсутствует, и она состоит из магнетита и вюстита.

При концентрации хрома в расплаве более 20 % оксидная пленка обогащена хромовыми шпинелями и обладает повышенной вязкостью.

Перед заливкой расплава в форму производится удаление оксидной пленки с поверхности. Однако в процессе заполнения формы расплав ударяется о стенки формы и о свои потоки, вызывая завихрение, разбрызгивание расплава и вспенивание, приводящие, в свою очередь, к увеличению площади свободной поверхности и интенсивному окислению расплава (рисунок 12). Это приводит к появлению тугоплавкой оксидной пленки, покрытой сферическими образованиями диаметром ~ 0,8 мм.

Рисунок 12 - Модель образования ТПД

Характер движения расплава зависит от уровня подъема и толщины участка в форме. В начальный период заливки заполнение стояка опережает заполнение полостей отливок, расположенных на нижних ярусах формы, и окислившийся металл в них не проникает. По мере заполнения формы скорость подъема расплава в стояке замедляется и процесс стабилизируется. Это приводит к проникновению тугоплавких оксидных включений в полости отливок, находящихся на верхних ярусах.

При заполнении движущимся расплавом утолщенных частей отливок образующиеся на его зеркале оксиды могут распределяться и растворяться в толще металла.

Основное влияние на образование ТДП оказывает ламинарный режим заполнения формы окисленным расплавом. Он устанавливается в тонких (~ 3 мм) участках отливок, расположенных на верхнем ярусе формы.

В тонких частях отливок, где расплав приближается к ламинарному движению, не происходит захвата оксидов с поверхности в глубину расплава. Вместо этого наблюдается прижатие оксидной пленки, покрытой сферическими образованиями, к стенкам формы. Кроме того, тонкие части отливки, как правило, находятся на удаленном от места подвода расплава расстоянии. Поэтому в них поступают более окисленные порции расплава. В результате окончательное застывание тугоплавкой оксидной пленки, покрытой сферическими образованиями, происходит до момента возникновения тонкого закристаллизовавшегося слоя в наименьших сечениях отливки. Это приводит к появлению ТГ1Д на поверхности отливок.

В случае заливки расплава в кварцевую керамическую форму внешняя часть оксидной пленки, состоящая в основном из оксидов железа, вступает в активное взаимодействие с кремнеземом формы. Это приводит к образованию легкоплавкой эвтектики. Образовавшиеся силикаты железа, обладая малой вязкостью, проникают в глубинные слои формы, образуя металлооксидные прослойки. Присутствие большого количества силикатов железа в контакте с ТПД также приводит к их проникновению в дефекты, что вызывает укрупнение ТПД.

При одинаковых условиях литья хромистых сталей разных структурных классов большей склонностью к ТПД обладают стали мартенситного и переходного классов. Их окисляемость и поражаемость ТПД выше аусте-нитных сталей из-за более высокой теплопроводности и наличия полиморфных превращений.

Для исключения образования ТПД предложен новый способ изготовления формы для получения отливок из хромистых сталей.

Способ включает послойное формирование оболочки из огнеупорного, обсыпочного и связующего материалов; сушку слоев формы; вытопку модели; монтаж формы в опоке, заполненной смесью опорного наполнителя и древесноугольного карбюризатора, и последующее прокаливание формы в сборе. Согласно предлагаемому способу перед прокаливанием формы смесь опорного наполнителя и карбюризатора и заливочную воронку стояка со стороны верхнего их уровня герметизируют и процесс прокаливания формы в сборе осуществляют в герметизированном состоянии опоки и стояка для исключения возможности поступления кислорода воздуха в объем опорного наполнителя и полость формы (рисунок 13).

По первому варианту герметизацию смеси наполнителя и карбюризатора осуществляют жидким стеклом, а герметизацию заливочной воронки стояка — стаканом из огнеупорного материала. Кроме того, для герметизации смеси наполнителя и древесноугольного карбюризатора возможно использование смеси жидкого стекла и пылевидного кварцевого песка при соотношении компонентов 1:1,5—2.

Рисунок 13 - Схема формовки керамических форм в опоку: I - опока; 2 - керамическая форма; 3 - опорный наполнитель с карбюризатором;

4 - заливочная воронка; 5 - огнеупорный стакан; 6 - герметичный слой

По второму варианту герметизацию смеси наполнителя и карбюризатора осуществляют кремнезолем, а герметизацию заливочной воронки стояка - стаканом из огнеупорного материала. Кроме того, для герметизации смеси наполнителя и карбюризатора возможно использование смеси кремнезоля и пылевидного кварцевого песка при соотношении компонентов 1:1,5-2.

Для повышения прочности керамических форм и качества поверхности отливок предложен новый способ изготовления керамических форм. Основными материалами для керамических форм служат кислый и основной кремнезоли и плавленый кварц. Данные формообразующие материалы обладают низкой химической активностью к оксидам хромистой стали и большим рядом преимуществ перед традиционными формообразующими материалами.

Применение покрытий с разными уровнями кислотности (щелочности) улучшает адгезионные свойства между покрытиями за счет образования водородных связей. Физико-химические изменения на границе двух сред приводят к установлению кислотно-щелочного равновесия между ними. При изменении рН раствора в сторону кислой среды, если золь был щелочным, и в сторону щелочной, если золь был кислым, происходит процесс гелеобразования, при этом протекает процесс объединения мицелл в более крупные агломераты.

Плавленый кварц в качестве наполнителя суспензии на основе кремнезоля обеспечивает гомогенность суспензии и дает однородное покрытие.

В составе кислых кремнезольных связующих практически полностью отсутствует Ыа20, кроме этого, они, как правило, являются модифициро-

ванными (алгоминизированными). Это обеспечивает высокую огнеупорность и химическую стойкость покрытий на их основе к заливаемому расплаву. Однако кислые кремнезольные связующие обладают промежуточным характером затвердевания, что приводит к разупрочнению керамической оболочки в горячей воде.

Керамические покрытия на базе кремнезолей основных имеют несколько худшие показатели по огнеупорности и химической стойкости к заливаемому расплаву из-за наличия в кремнезоле основном ЫагО. Тем не менее такие покрытия при высыхании твердеют необратимо, что позволяет успешно производить вытопку модельного состава в горячей воде.

Внутренний слой формы при выплавлении модельного состава в горячей воде находится в контакте с модельным составом и частично пропитывается им, что ограничивает контакт внутреннего слоя формы с горячей водой. Это позволяет изготавливать первые слои на основе кислого крем-незолыюго связующего.

Внешний слой формы при выплавлении модельного состава с первых секунд контактирует с горячей водой. Использование для создания последующих слоев кремнезоля основного предотвращает разупрочнение керамической формы. Кроме того, кремнезоль основной является более дешевым по сравнению с кремнезолем кислым.

На основании анализа результатов, полученных в ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса образования ТПД и влияния технологических параметров на образование ТПД, сформированы технологические рекомендации для получения качественных отливок из хромистых сталей (рисунок 14).

_| Технологические рекомендации |_

| Изготовление отливок из хромистых сталей аустенитного класса_ |

Изготовление керамической формы из химически стойких к оксидам _хромистой стали материалов_

Температура заливки расплава 1923-1943 К

Температура формы перед заливкой не менее 1173 К

|_Заливка керамических форм в герметичной восстановительной атмосфере_|

| Заливка форм со скоростью, исключающей ламинарный характер течения 1

Рисунок 14 - Технологические рекомендации для получения качественных отливок из хромистых сталей

Результаты работы внедрены в производство отливок из хромистых сталей на ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко». Достигнутые результаты обеспечили устранение образования ТПД и повышение выхода годных отливок на 15-20 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По специальности 05.16.09:

1. На основе имитационного моделирования и практических исследований установлен гидродинамический механизм заполнения формы расплавом хромистой стали, объясняющий причину образования и места расположения ТПД, связанный с образованием специфической тугоплавкой оксидной пленки, покрытой сферическими образованиями непосредственно в процессе заполнения формы расплавом.

2. Определены группы физико-химических реакций, происходящих при плавке и заливке хромистых сталей, учитывающие взаимное влияние основного компонента (Ре) на ход протекания реакций, приводящие к образованию ТПД:

а) реакции окисления компонентов хромистой стали в растворе жидкого железа;

б) реакции восстановления оксидов хромистой стали ее компонентами;

в) реакции взаимодействия между оксидами хромистой стали;

г) реакции взаимодействия оксидов хромистой стали с материалом формы.

3. Установлены закономерности физико-химических процессов, происходящих на границе разделов гетерогенной структуры, состоящей из кислого и основного слоев керамической формы. Разработан новый способ их изготовления, позволивший повысить прочность керамических форм и улучшить качество поверхности отливок. Получено решение на выдачу патента РФ.

4. Установлена связь между структурой металла и условиями образования ТПД. Показано, что при наличии аустенитной фазы их количество существенно снижается в сравнении с металлами мартенситной и переходной фазами.

5. Установлено, что ТПД и оксидная пленка, образующаяся на зеркале расплава хромистой стали в процессе заполнения формы, имеют схожую гетерогенную многослойную структуру, в основе которой находятся оксиды железа и хромовые шпинели.

По специальности 05.16.04:

6. Разработано программное обеспечение для проведения количественного анализа объема оксидной пленки, образующейся во время заполнения формы хромистой сталью, и выбора рациональных технологических параметров литья, обеспечивающих повышение качества отливок.

7. Разработана методика определения дефектной площади отливки с учетом заданных параметров и калибровочных единиц на основе распознавания изображения отливки с помощью программного обеспечения, что позволило предложить технологические рекомендации для получения качественных отливок из хромистых сталей, обеспечивающие устранение образования ТПД.

8. Установлено влияние технологических параметров получения отливок в керамических формах (скорость заполнения керамической формы, состав материала и температура керамической формы перед заливкой расплава, химический состав хромистой стали, температура заливки расплава, состав атмосферы) на образование ТПД. Получены регрессионные модели зависимости дефектной площади от технологических параметров литья хромистых сталей.

9. Установлено, что:

— определяющим условием образования ТПД является ламинарный режим заполнения полостей формы окисленным расплавом;

— диаметр и глубина ТПД на отливках, полученных в формах на основе кристаллического кварца, в среднем в 2,5 и 1,33 раза соответственно превышают диаметр и глубину ТПД на отливках, полученных в формах на основе электрокорунда и плавленого кварца;

— увеличение температуры заливки расплава и температуры керамической формы перед заливкой расплава способствует размягчению и распределению тугоплавких оксидных образований по поверхности формы и снижению площади поражения отливок ТПД. Для получения качественных отливок температура заливки расплава должна быть равной 1923-1943 К, температура формы перед заливкой должна составлять не менее 1173 К.

10. Разработан способ герметизации собранных форм, позволяющий сохранить восстановительную атмосферу и предупредить образование ТПД. Получено решение на выдачу патента РФ.

11. Предложены технологические рекомендации для получения качественных отливок из хромистых сталей, обеспечивающие устранение образования ТПД.

12. Результаты работы внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко». Применение результатов работы позволило снизить брак отливок из хромистых сталей на 15-20 %.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Брюханова, Е. В. Образование поверхностных дефектов на отливках из нержавеющих сталей при литье по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова// Новые промышленные технологии. — 2009. - № 6. - С. 13-15.

2. Брюханова, Е. В. Методика определения состава включений, образующихся на границе раздела металл-форма при ЛВМ высокохромистых сталей / О. Н. Голотенков, Е. В. Брюханова, С. А. Макарова // Литейщик России. - 2010. - № 6. - С. 40-42.

3. Брюханова, Е. В. Технологические факторы и особенности окисления нержавеющих сталей, влияющие на образование точечных дефектов на поверхности отливок при ЛВМ / Е. В. Брюханова, О. Н. Голотенков // Литейщик России. - 2012. - № 12. - С. 37-39.

4. Брюханова, Е. В. Исследование состава и строения точечных поверхностных дефектов на отливках из нержавеющих сталей при литье по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова // Инженерный вестник Дона (Электронный журнал). - 2013. — № 1. — URL: http://www.ivdon.njy magazine/archive/n 1у2013/1543.

5. Брюханова, Е. В. Причина точечных поверхностных дефектов на отливках из нержавеющих сталей при литье по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова, О. Н. Голотенков // Тяжелое машиностроение. - 2013. -№6-7.-С. 18-22.

6. Брюханова, Е. В. Совершенствование технологии изготовления керамических форм для литья коррозионностойких сталей / Е. В. Брюханова, О. Н. Голотенков // Литейщик России. - 2013. - № 7. - С. 23-24.

Публикации в других изданиях

7. Брюханова, Е. В. Влияние режимов заполнения формы на качество поверхностей отливок из нержавеющих сталей при литье по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 15-16 декабря 2011 г.) / под ред. В. 3. Зверовщикова, М. В. Белашова. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - С. 313-317.

8. Брюханова, Е. В. Термодинамический анализ образования точечных дефектов на отливках из нержавеющих сталей при JIBM / Е. В. Брюханова, О. Н. Голотенков // Молодежь. Наука. Инновации : сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. / под. ред. Г. К. Сафаралиева, А. Н. Андреева, В. А. Казакова. - Пенза : Изд-во Пензенского филиала ФГБОУ ВПО «РГУИТП», 2012. - С. 555-560.

9. Брюханова, Е. В. Причина точечных поверхностных дефектов на отливках из нержавеющих сталей при литье по выплавляемым моделям (JIBM) / Е. В. Брюханова // Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов : сб. тез. Междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 13-14 декабря 2012 г.) / ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» (ГК «Росатом»), Атомэнергомаш. -М. : Изд-во ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», 2012. - С. 31.

10. Заявка 2013121867 RU. Способ изготовления формы для литья по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова, Е. М. Кирин, О. Н. Голотенков; (решение о выдаче патента от 02.10.2014); заявл. 13.05.2013.

11. Заявка 2013135542 RU. Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям / Е. В. Брюханова, О. Н. Голотенков; (решение о выдаче патента от 24.06.2014); заявл. 29.07.2013.

Научное издание

ЧИЖОВЛ Евгения Владимировна

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ НА ХРОМИСТЫХ СТАЛЯХ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПРИ ЛИТЬЕ В КЕРАМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

Специальности: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение); 05.16.04 - Литейное производство

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор П. В. Иванова Компьютерная верстка И. В. Ивановой

Распоряжением? 12/49 от 16.10.2014. Подписано в печать 20.10.14. Формат 60x84 /|6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 944. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru