автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Оптимальные модификаторы для чугуна с пластинчатым графитом

дйггрлльшй научно-шслздовательсюя институт

Р Г 6 О д технологии шшиносгроаоя ,, , . шшгшш

На прзвах рукописи

Мизлна Инга Владамировнэ

оппгшыиз шдийхаторы ддя чугуна с шмттш

графитом

Специальность 05.16.04 - "Литейное производство"

Автореферат

диссертация на соискание ученоЛ степени кандидата технических наук

Моокпа, 1003

Работа ЕЕголчела в Наупт-о-проязвод^екго?! обьатрж-хх по технологии -йлппостроекля "1ДПГт.1А1 "

Назгчгсг* рукогодагтель - доктор тех:с:"еск:ас наук, профессор

Ллоксагдров ".II.

С'^п-'аньм'э огпо::ек?ы - доктор тех;с:тескл ;:агк, профессор

'.Созлов Л.Я.

к&:-х"дг.-- те-с-граскга ::ауг: Гошенков А."'.

Ведущее 1ф?дг:р:1ятле - Загод ;г:. Ллхо.чева

2алпта доссертаиз состоится Л'И^й^ь!^ 1554 г. в 14°° часов в аудитории .'5 403 на засздагаш спецяалязлро-ванного совета К 145.03.01 при Научно-производственной объединена по технологии »алииостроешш "ЦКГШи" по адресу : ЮХьб, Лосква, ьарпкоподо.:пш:ковская ул., д. 4.

С длссертагкеЗ )<о::;мо озпакошться в научно-техилче-ско2 библиотеке ^ПО ДаГЗГГ. 1ЛШ.

Спсавк:; по тел. 275 - 65 - 33. Автореферат раз осла:: " (^¡СХУОЫ г.

Уче:шй секретарь сгец:'ат::з"роЕа:г ого совета д-г) техгМйстс, гоо^. ^'Т.В.Васхсовскп-

-2^. у.

СБШ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность -работы. Технический прогресс совр§?:екного г.спе-посгроэния сопровождается одновременным наращиванием .чощюсти ¿га-шин и агрегатов при минимизации их габаритов и массы. 3 металлургия и литейном производстве главными направлениями в реиенпп проблей снижения металлоемкости изделий и энергозатрат является разработка материалов и новых технологий их производства, обеспечивающих дальнейшее возрастание их конструкционной прочности и долговечности. Наиболее эффективно эти зада:чи репаются посредством совершенствования структурного состояния применяемых материалов. Высокий (около 70%) обье-' годового выпуска отливок из чугуна объясняется презде всего его высокзшя технологическая свойства;••л, бальлзми возиакноотями воздействия на его структуру а свойс^а ге-тода^п Бнепечной обработки расплава, из числа которых наиболее эффективный является модифицирование чугуна различного рода добавками. Постоянно растущие требования к чугуну, как основному конструкционному материалу современного цаииностроения обуславливают дальнейшее проведение поисков кодификаторов как на основе известных ферросплавов, так и новыхнатеркалов.

В связи с эти« исследования, направленные на разработку эффективных способов поЕшения качества отливок посредство?^ целенаправленного воздействия на процессы кристаллизации и структурооб-раз ованзя чугуна яеляются важной и актуальной задачей.

'Цель работа. Разработать эффективные ноднфицирувщпе вещества на основе изучения к анализа Еатлейаих сй!зпко-х1Глпческлх и струг-турных особенностей кодификаторов (в тон числе температуры плавления, базового состава, плотности) п эффективность их действия (растворимостье спачизае?.'ость в етдкпх растворах), в зависимости от размера вводг.'шх частиц и температурь1 жидкого чугуна.

Изучить сходство и различия во влиянии кодификаторов различного состава (природа) на особенности протекглщя процессов кристаллизации (с определениям температуры кача~а и конца кристаллизации) и преврадепйй в посткрпсталлизацпонкс периоде (с гзученп-ен конечно:! структуры и глотности чугуна).

Провести сравнительное исследование й'Коктгености кодЕйициру-вдего воздействия ряда эле-.-ентов (в тоу числе углерода, прения, ажз'.-иния, кальция, бария, строишь) - при их ргзделакоп глп коч-

плексно» введении в расплав на структуру, склонность к отбелу и иеханические сьойства серого чугуна.

- Разработать основные принципы синтеза составов графптизирую-щих модификаторов, учитывающих металлургическую предистории обрабатываемого расплава и условия сяуябн отливок в'эксплуатации.

- Провести из числа исследованных модификаторов проукзяенкое опробование наиболее эффективных.

Еатчгая "овгзна выражается в там, что

- впервые выявлена зависимость ыезду фазовым составом различных модификаторов и их графнтизирувдеЭ способностью;

- определены температуры плавления указанных модификаторов;

- определено время плавления разработанных модификаторов;

- изучено поверхностное яатянение данных кодификаторов;

- проведен сравнительный анализ различных ¡углеродистых материалов и дана, оценка их эффективности в составе коыплекскЕх кодификаторов;

- изучена .модофпцируищая способность элементов и их соединений во взаимосвязи с их Еазнейапыи физнкс-хиуическиип и кристалло-структурныыи характеристиками.

Практическое значение -работы состоит в том, что на основе изучения и анализа эффективности модифицирующего воздействия це-. лого ряда элементов и соединений, в том числе: углерода (графита), крепкая, алшшшя, щелочноземельных и редкоземельных металлов и других, разработаны новые составы модификаторов, предотврацащиэ". отбел в тонкостенных чугунных отливках. ."'■ *

В работе рассмотрена взаимосвязь цодафпцпррэще& способности элементов и их соединений с их ва^нейппи физико-хпуическиии и кристаллоструктурнши характеристиками (фазовым составом, временем плавления, физико-химически™ свойствами (поверхностным натя-кениеи, химический составон, тешгературой плавления, пористостью и другая) , а такзе активностью добавок по отношению к приз:есяц расплава).

Разработаны основные параметры технологии модифицирования чугуна в различнкх условиях с получением заранее заданных слу?,еб-. ных характеристик литкх изделий.

Проведенная работа позволила предложить дош выбора иодифика-

" тора дна критерия оценки га моди^Ецарувдей способности: по Сишж- ' кеыу эффекту п кивучести модифицирующего воздействия. Конкретный внбор критерия определяется реалькшж проязводстЕейкжи и технологические условияст: весом плавки, дробностью разливка, методов .ввода кодификатора.

Публикация и аггробагея. Основные пояснения работы излснеш в 2 статьях, 2 тезисах докладов. О результатах исследований доложено на 3 сеъггжарах.

Струита и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 разделов, выводов, списка использованных источников и првлссе-ний; излозена на страницах, включая рисунков, таб-

липц, ' .приложений. В библиографической списке источника.

Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных исследований, их обработке п анализе полученных результатов, а такяе в участят в опытно-проныалоннЕХ плавках с иснольз ОЕакпеи катенатяческоЗ катрицн планирования. На основании исследований автором с^орг'улпроеанн еыводы и рекомендации.

I. Ж1ТЕРАТШШ1 ОБЗОР ( состояние вопроса)

Фор-оровагше в железо-углеродистых расплавах активных частиц графита, способных стать зародашеЕой йазоЯ, требует не только активации уже существующих центров, в известной »..ере "отравленных" _ хенсорбцией различного рода примесей, но и создания новых центров. ■ ■

Обе эти задачи иогут решаться внесением строго дозпруе-шх количеств хшлгчески высокоактивных добавок, способных не только раскислять, обессеривать и обезводорожпвать расплав, но в ряде случаев и нейтрализовать зшяние элементов - стабилизаторов, присутствие которых в расплаве чугуна обычно благоприятствует кристаллизации по иетастабшгьной систеке.

Внесение в расплав интепсифзкаторов графитообразоЕанпя, осо-Зенно совместно с кремнием и графитом, изменяя условия крпстал-газации (величину переохлаждения расплава, число центров кристал-тизацпя, характер строения розеток графита), позволяет не талька активно влиять на технологические характеристики сплавь, но

и его служебные характеристики, тагае как значения механических свойств, износостойкость, устойчивость к теялосменам и .другие. "

Эффективность вводимых добавок как потенциальных графити-заторов чугуна монет оцениваться прежде всего по их влиянию на устойчивость жидкой фазы, которая, в свою очередь, связана с чистотой и однородностью расплава - характеристиками, зависящими не только от генетических факторов (состава шихты, природы исходных чугунов), но и чисто металлургических: плавильного агрегата, степени перегрева чугуна, длительности выцеркки состава шлаковой фазы и других.

Краткий аналитический обзор существующих представлений и оценок модифицирующей способности ряда элементов и их композиций в процессе графитизирующего модифицирования, свидетельствующий, с одной стороны, о все возрастающей глубине научного подхода к проблеме, а с другой - о её неисчерпанности, доказывает необходимость проведения данной работы.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ. ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились на перёдельном чутуне индукционной плавки, стальном ломе и 75%-пои ферросилиции. В качестве модификаторов использовали 75%-у.ый ферросилиций, ферросилиций со стронцием, барием, цирконием, кальций-бариевую, высокобариевуто лигатуру, а такке группу смесей.

Результаты модифицирования оценивали по глубине отбела клиновидной пробы. Механические испытания и исследования микроструктуры проводились на образцах ф 30 мм, и" пластинах различной толщины, пробы на химический анализ отбирали у исходного модифицированного чугуна, варьировалось количество вводимого модификатора. Определялась величина поверхностного натяжения модификаторов. Использован метод математического планирования эксперимента.

3.ХИМИЧЕСКИЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ МОДИФИКАТОРОВ

В работе приведен химический состав исследуемых модификаторов. Помимо общепринятой оценки содержания основных и активных элементов изучено содержание ряда примесных элементов. Показано, что содержание этих элементов незначительно, поэтому их влияние на эффективность модифицирования не является определяющим.

Решению проблемы повыиений физико-механических и специаль-

- ? -

них свойств чугунных отливок способствует знание фазового состава и структуры модификаторов, формы существования в них различных элементов. Особенности фазового строения обуславливают межфракционную неоднородность сплава. Фазовый состав определяет тзкяе их иожаровзрывоопасность. решения проблемы удаления вредных примесей необходимо знать форму существования этих элементов в сплаве. Фазовый состав и структура предо преде яя:от температуру плавления и способствуют пониманию процессоз усвоения активных элементов при модифицировании.

4. ОПРЕЩЕШЕ ТЗ.ШРАТУРЫ ПЛАВЯ2ШШ ШЯЮКАТОРОВ

Определение температуры плавления комплексных ферросплавов, и их фазовых составляющих позволяет прогнозировать степень их усвоения, разработать оптимальные параметры технологического процесса и уточнить механизм модифицирования.

Для оптимизации процесса модифицирования необходимо связать температуру плавления модификатора « его фазовых составляющих с температурой расплава чугуна при введении модификатора. Известно, что для каждого чугуна имеется интервал оптимальных температур расплава для модифицирования. Однако, в условиях производства не всегда имеется возможность вести процесс модифицирования при оптимальных температурах, поэтому знание температуры плавления модификаторов значительно способствует как выбору модификатора,так и повышению эффективности моцифтцирозэнил и делает этот процесс приемлемым для конкретных плавильных агрегстов.

Лощенные результаты сведетельствуат о значительно:.: разбросе в значениях температур плавления модификаторов разного состава. Вместе с тем установлено, что усредненный (марочный) сосетв модификатора еще не говорит о потенциальных его возможностях. Ззякое значенио имеют как его фззозый состзв (наличие высокот-зм-пературной составляющей), т эк, вероятно, и физике—химические продукты реакции, возникающие в рэенлзве при растворен:::: в нем данного модификатора.

Так например, в случае прп'тонония ц::ркок;;:':содего2!;;эго модификатора дисил;и1нд циркония с температурой плавления 1520 г.егкет быть центром кристаллизации.

В предварительно:.: порядке возрастания :.:од::[';г4пгу;-лце;: способности мо.т.но нззззть кандидат:-:!:.::: сплавы ФС75 (с добевкамл ,

- 8 -

Са, Ва), £С75Ст, $С65Ба1 и £С70Цр1,5.

' 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНГАЛЬКОВ ОПРЕДЕЛЕНИЕ _ ВРЕМЕНИ ПЛАВЛЕНИЯ МОДИФИКАТОРОВ В .ЖИДКОМ ЧУГУНЕ

В практических условиях модифицирования важное значение имеет процесс растворения частиц модификатора в жидком чугуне, механизм ассимиляции твердах частиц модификатора жидким чугуном и скорость их растворения, которые определяются совокупностью физико-химических параметров твердых частиц и состоянием жидкого расплава чугуна. До настоящего времени эти закономерности остаются малоизученными. •

В раооте использована возможность применения к решению сложных систем .дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепломассообмена при растворении кусков ферросплавов в жидком металле, интегрального метода в квазистационарном приближении. Применение этого метода позволяет свести задачу с математической точки зрения к решению систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Данный метод использован для определения времени плавления неподвижно расположенных в чугуне кусков модификаторов в форме шара. Время плавления модификаторов было определено экспериментальным и расчетным путями. Важно сравнение результатов расчета и экспериментальных данных, что позволяет применять расчетные метода для определения времени растворения ферросплавов в условиях, недоступных для непосредственного экспериментального' исследования.

5.Г. Расчетное определение времени плавления модификаторов в чугуне

В зависимости от соотношения между температурой плавления сплава (Тп), температурой расплава (Тв) и температурой его кристаллизации (Тк), сплавы подразделяются на: легкоплавкие, если Тп < Тк; тугоплавкие, если Тк <Тп < Тв и сверхтугоплавкиэ, если Тп >■ Тк. Процесс усвоения сплава разделяется в общем случае на три периода.

Программа позволяет проследить изменение во времени .диаметра куска, толщины корки, температуры куска, коэффициентов тепло-' . и массообмена; проиллюстрировать графически расчетные зависимости изменения во времени радиуса кусков модификаторов. Максимальное расчетное время плавления характерно для модификатора <ЕС75Ст,

- 9 -

минимальное - для легкоплавкого сплава СКЗО.

5.2. Экспериментальное исследование времени плавления модификаторов в чугуне Эксперименты по определению времени плавления модификаторов проводились на специально изготовленных образцах - шарах диаметром 20 мм, отлитых в специальной форме, в которую до запивки металла вставляли молибденовые штыри длиной 200-400 мм, которые позволяли удерживать образцы в расплаве чугуна и извлекать их из него. Суть эксперимента заключалась в измерений массы образцов после их выдержки в рзсплаве-в течение некоторого времени. Е ходе эксперимента в равных температурных я временных условиях после взаимодействия с жицким чугуном остатки шариков извлекали, охлаждали и исследовали микроструктуру образцов модификаторов, наличие новых фэз и образований, распределение кремния и активных элементов.

Все опыты можно разделить на две группы. К первой группе опытов относятся те, в которых масса образца после выдержки в расплаве меньше, чем начальная. Это происходит либо из-за вытекаю« жидкого модификатора из-под образовавшейся корки, либо из-за соскальзывания образца со штыря з момент извлечения, указывающее 'на полное расплавление молибдена под тугоплавкой коркой. Ко второй группе относятся опыты, в которых.масса образца увеличилась в связи с -нарастанием корки.

На основании полученных экспериментальных данных можно заключить, что процесс расплавления модификаторов в жидком чугуне начинается с образования мини-корки, которая оплавляется или продолжает рзсти в зависимости ст физико-химических и теплофнзи-ческих характеристик сплава, впоследствии растворяясь. Сложный хзрзктер процесса растворения модификаторов в чугуне предопределяет необходимость сравнения расчетных и экеяеримзнтаяькше значений времени плзвлення, которые удовлетворительно согласуются между собой. Наибольшее время плавления у модификатора 5С?5Ст, на;е*?ктнзее - у СКЗО.

...... 5.3. Влияние технологических параметров на процесс

,.. расплавления модификаторов в чугуне Нз основе математической мод-; та проведен расчетный эксперимент с целью нсоледовашм вашим техно йоги^скк-* параметров •'.роцесоа: размера куска, температура жидкого чугуна, температуры куска парод погружением в расшит.

- 10 -

Влияние подогрева ферросплавов нэ время их плавления в целом незначительно. При увеличении начальной температуры куска происходит уменьшение длительности временя наплавления корки, а продолжительность основного плавления не изменяется. Для легкоплавкого оплзва СКЗО уменьшается продолжительность всех периодов Тол-дина корки чугуна существенно уменьшается с увеличением температуры подогрева. С уменьшением .диаметра происходит заметное уменьшение времени плавления. Для большинства исследозанных модификаторов при температуре чугуна 1330-1420 °С оптимальный размер кусков 0,5-3 к.:, что соответствует реальным условиям. Более крупные размеры кусков могут быть использованы при обработке больших масс чугуна.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО КаТЯЕЗЕЯ

¿юдпж-саторов и исходного чугуна.

Одни:.; из наиболее ванных физико-химических свойств жидких металлов является поверхностное кзтякеняе. Изучение поверхностных свойств жидких металлов вскрывает особенности строения фаз и границ их раздела, дает сведения, необходимые для анализа многих технологически процессов.

В работе использован метод "большой капли", которым исследовали поверхностное натяжение исходного чугуна и модификаторов на основе ферросилиция в жидком состоянии. Измерение проводилось в . атмосфере гелия на поддонках из АЗ^Од в интервале температур 1200-1450 °С в ре.-кн'ле нагрева и охлакдания образцов.

Поаитерми поверхностного натяжения чут'уна имеют виц, характерный для жидких чугунов - линейную зависимость, в то время как у модификаторов они нелинейны и по абсолютной величине в 1,5-2,0 раза ниже. Пояитерпы поверхностного натяжения при нагреве и охлаждении совпадают. С ростом температуры поверхностное нзтяяение исследуемых модификаторов возрастает, однайо уровень его различен.- Так, для 75^-ного ферросилиция <2С75 и ферросилиция с магнием £Смг1 поверхностное натяжение в исследованном .диапазоне температур остается практически постоянным. Поверхностное натяяение модификатора ФС60Ба22 с ростом температуры повышается незначительно, но имеет низкое абсолютное значение, что свидетельствует, до-зидпмому, о высокой поверхностной активности бария. Поверхностное натякенае модификаторов ФС75Ст, ФСб5Бэ1 и £С70Цр1,5 с ростом температуры существенно возрастает, особенно для двух первых.

- II -

В реальных условиях, при кодифицировании чугуна снижение температуры чугуна приводит 'к снижен;®) поверхностного натяжения модификатора, а, следовательно, к увеличению разности значений поверхностного натяжения чугуна и модификатора. Это должно обеспечивать уменьшение смачиваемости и большую устойчивость модификатора, повышение его "живучести" в чугуне.

Исходя из вышеизложенного можно ожидать, что модификаторы СС?5Ст, ФС65Ба1 и ФС?0Цр1,5 могут обесисчпть более высокую эффективность процесса модифицирования по сравнению с другими.

7. ИССЛЕДОВАНА ¡.ЭДЙЗДИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 0ТДЮ1ЬНиХ ЭЛЕМЕНТОВ

В данном разделе рассмотрено влияние отдельных модификаторов на структуру, технологические и механические свойства чугу-юв в литом состоянии, т.е. после кристаллизация и охлаждения, а;ея ввиду, что процессы, протекавшие в жидкой фазо в мос.,ент введения модификаторов были рассмотрены ранее. Исследования проводили, начав с оценки модифицирующей способности отдельных элементов, переходя затем к изучению более сложных систем: би-¡арньгх, многокомпонентных и, наконец, смесезкх композиций.

Основной критериями оценки модифицкрук'дей способности мо-•еряэлз служили:

1. Его влияние на склонность чугунз к переохлаждению в провесе кристаллизации, в зависимости от скорости охлаждения, о. ем судили по пробам на отбел.

2. "Кизучесть" модифицирующего воздействия, в интервал: т 0,15 сек до 20-25 мин.

3. Структурное состояние специально отливавшихся образцов -линьев по их высоте, с определением состава, морфологин и дас-ерсности избыточных фаз (графита, участков лецебурпта, карбидах частиц, неметаллических включений),'а также металлической этрицы.

4. Достигнутый уровень механических свойств.

Размер вводимых добавок чаще всего изменяли в пределах от ,1 до 0,5 вводя их в струю металла при фракционном методе здпфицирозания и разлиаки чугуна, т.е. соблюдая и сохраняя зд:;-по металлургическую предисторлю металла. Азот вводи/и кг 1-2 > рядка меньше, чем остальные добавки.

7.1. Влияние графита

В качестве исследуемых материалов были использованы образцы не только графита разного происхождения (природный графит, электродный графит), но и стеклографит, а также кокс и древесный уголь. Отобранные материалы различались как по степени графитиза-ции, так и по плотности и содернанию трехмерно упорядоченной фазы.

Исследование модифицирующей способности всех этих материалов проводили на чугуне следующего состава: С-2,90 %; Si -1,63$, Мп-0,44 %, $ - 0,025 %, Р - 0,05 %, вво.дя по 0,25 % (по массе) каждого из кандацатных составов.

Наибольшая эффективность при сравнении структуры была достигнута при модифицировании природным графитом и насколько меньшая при обработке расплавов равными количествами кокса и электродного боя. При совершенно идентичных условиях обработки расплавов древесным углом и стеклографитом эффект модифицирования не выявлен. Близкие результаты были получены при оценке модифицирующей активности выоранных добавок по соотношению зон отбела, располагавшихся по высоте клиньев при определении наличия карбидных фаз в поле зрения продольно вырезанного темплета. Модифицирование природным графитом приводит к получению мелкого однородного распределенного в поле зрения графита, при полном отсутствии выделений яедвбурита. Микроструктура чугуна, модифицированного электродным боем и коксом представляет собой неравномерно распределенный графит, графит переохлаждения, в смеси'с небольшим количеством карбидной фазы. Микроструктура чугуна, модифицированного стек-лоуглеродом, идентична структуре чугуна исходного состава, но в зоне полной графитизации пластинки графита характеризуются значительной неоднородностью: наряду с графитом переохлаздения отмечается наличие грубых включении графита, типа раковин, а также участки ледебурита.

. Приведенные выше результаты позволяют сформулировать следующее:

- Подтверждается высокая модифицирующая способность графита и углеродистых материалов высокой степени графитации.

- Введение металлургического кокса в расплав чугуна обеспечивает заметный эффект модифицирования.

Полное отсутствие активного модифицирующего воздействия на процесс графитизации чугуна при использовании стеклографита и

- 13 -

древесного угля подтверждает важное влияние на эффективность мо.цифидирования природа зародышей фазы, её кристаллсструктурно-го соответствия графиту обрабатываемого чугуна. ■

Учитывая полученные результаты, для оценки "живучести" модификаторов отобрали только природный графит я электродный бой, сопоставляя их с дробленным 75%~нш: ферросилицием ФС75 с низким содержанием А1 (0,05 %), Са (-<0,1 %) и За (следа). Модификаторы с размерами частиц 3-5 мм вводили непосредственно под струю металла при заполнении ковша. Модифицированию был подвергнут расплав чугуна следующего состава: С - 3,0 %; - 1,7 %; !.1п - 0,3 %;

3 - 0,06 %; Р - 0,05 %.

Из полученных результатов испытаний следует, что природный графит не только в максимальной степени благоприятствует модифицированию чугуна, но и характеризуется наибольшей жизечестью. Электродный бой по живучести существенно уступает природному графиту ч ферросилицию.

Для определения оптимальных условий модифицирования чугуна природным графитом была проведена контрольная плавка, в которой переменным фактором было количество вводимых добавок графита (от 0,1 % до 0,3 %) в сравнении со стандартным ферросилицием ФС75 (0,3 %). В количестве 0,3 % (по массе).природный графит не уступает тому же количеству ферросилиция.

Недостатком чистого природного графита, как модификатора, являются:

- низкая, плотность, приводящая к его всплывзнию на поверхность и сгоранию, если не принимать меры к принудительному его введению в расплав;

- малое воздействие на уровень механических сеойств при высокой эффективности в снижении величины отбелэ.

7.2. Влияние кремния и ферросилиция разной степени чистоты

Для оценки кремния как эффективного грзфитизатора были отобраны образцы высокочистого кремния марки ХЭ45, карборунда

и ферросилиция марки ЗС75 (73,5 % & , 1,2 % М; 0,75 % Са, Ва - следа), а также природного Тайгинского графита. Были выплавлены также плавки при модифицировании карбидом крплнкя и для сравнения электродным боем.

- 14 -

Все вводившиеся добавки и в том числе чистый кремний, снижают склонность чугуна к переохлаждению, хотя и с разной интенсивностью модифицирующего воздействия. Добавки можно расположить в следующий ряд: Л -» -» графит ■* ФС75.Если судить по "живучести" модификатора, то рад имеет вид: «Й природный графит -*■ ФС75.

Была подтверждена модифицирующая способность карбида кремния, особенно при совместном введении с графитом (0,3 55 +0,1 % графита), при котором смесь практически не оказывает влияние на величину эвтектического зерна и уровень механических свойств. Модифздирование расплава графитом хотя и снижает склонность чугуна к переохлаждению, но не измельчает частиц графита, а наоборот, может приводить даже к некоторому их огрублению, что проявляется на механических свойствах чугуна.

7.3. Влияние алюминия.

В работе была сопоставлена эффективность малых присадок алюминия как графитизирующей добавки с влиянием традиционного 75 $-ного ферросилиция <£С75, а также сделана попытка выявить зависимость модифицирующего эффекта чистого алюминия от содержания в расплаве чугуна азота и степени его эвтектичности.

Модифицирование чугуна одним чистым алюминием, даже в количестве 0,3 % имело весьма скромный эффект. При совместном с (1С75 модифицировании алюминием, с увеличением его количества с 0,05 % до 0,2 % усиливался модифицирующий эффект ферросилиция.

По результатам исследования проб на отбел получили, что азот является активным карбядостабилизирукшшм элементом, тормозящим процесс графитизации кристаллизующегося чугуна и что малые добавки, связывающие азот в нитриды, долины способствовать процессу графитизирующего модифицирования.

В итоге получены следующие результаты:

•- Модифицирующий эффект от введения малых до6зеок алюминия определяется как составом чугуна, так а условиями их ввода в расплав.

- Ваграночный чугун из-за более низкого в нем содержания азота менее восприимчив к воздействию алюминия, чем чугун электрон лазки.

- Введение одного олншния как модификатора чугуна значительно менее эффективно, чем при применении комплексного крем-

- 15 -

нш1алю?.;:щййсодеркэщего модификатора.

- Остаточное со черззние алюминия в чугуне, обработанном комплексна.! кремнийзягзминийсодеркзцим модификатором не должно превышать 0,3 %.

Более высокое содержание остаточного алюминия чревато получением подкорковых раковин в отливках и ухудшением равномерности распределения чэстиц графита в металлической матрица.

7.4. шляние силикокальция и силнкобария

Изучали прежде всего количественную сторону влияния бинарных сплавов - силикокадьция (30 % Са) и силикобэрия (30 % Ва), сопоставляя полуденные результаты с мо.дифицирут-эщ®.! эффектом тех же количеств стандартного 75^-ного ферросилпц;1я ФС75, в котором присутствуют кроме кремния и железа малые содержания кальция (до 1,95 %) а алюминия (1,5-1,95 %).

При модифицировании Ф075 и СИЗО получили весьма близкие результаты. Выделения графита в зонах полной графитизации характеризуется наличием мелких, слабо завихренных частиц, залегающих в металлической матрице тонкопл^стинчатого перлита. С увеличением количества вводимого СКЗО до I % происходит некоторое укрупнение чзстиц графита. Некоторое преимущество модифицирования СКЗО перед модифицированием ЗС75 было установлено при сравнительной оценке их живучести.

При модифицировании зысокобариевым модификатором СБ-30 при увеличении его количества с 0,3 % до' 1,0 % модифицируюсь'! эффект сменяется на отбеливающий. Вместе с тем, бесспорным достоинством высокобариевого модификатора СБ-30 является повышен-ная"живучесть" эффекта модифицирования.

Рассмотрено совместное влияние спликокальция СКЗО и силико-бария СБ-30, а также кальцийбариевого модификатора С1<Ба15 на склонность чугунов к отбеяу, показатели их механических свойств и "живучесть" воздействия во времени. Наиболее однородные результаты при мукгдаальном эффекте модифицирования достигнуты при совместном модифицировании СКЗО и СБ-30 в количестве по 0,25 % каждого, а также при модифицирования 0,5 % силнкобария. Неоднозначный характер влияния проявился при использовании комплексного сплава СКЕэ15. Введение его избыточных добавок (до 1,0 % по массе) приводит к возрастанию зоны чистого отбела. При наличная небольшого колд-шптза алюминия в модификаторе СКЕзТо графи-

тизирующее модифицирование имеет положительный эффект. Избыточное введение силикобария СБ-30 свыше 0,3-0,4 % сопровождается переломом в характере его модифицирующего воздействия, монотонным возрастанием склонности чугуна к отбелу. Моднфихирование чугуна заметно измельчает размер эвтектических зерен чугуна, но этот эффект практически одинаков для всех трех модификаторов: ФС75, СБ-30 и СКЗО.

; Дальнейаий поиск оптимальных составов модификаторов серого чугуна следует езсти на путях применения многокомпонентных составов, как в виде соответственно сплавленных модификаторов,так и в виде смесевых модификаторов. Целесообразность такого поиска подкрепляется опытом других стран (США, Канада, Япония и др.)

Для сравнительного исследования взяты четыре типа модификатора: ФС65Ба1; ФСКг1; ФС70Цр1,5;К75Ст.

При модифицировании Ф365Ба1 в количестве 0,1; 0,15; 0,3$ эффективность модифицирующего воздействия весьма заметна, что еле .дует отнести за счет совокупного влияния наряду с барием малых добавок алюминия, кальция, стронция и магния, модифицирование 0,3 % ФС65Ба1 полностью устраняет графит переохлаждения с образованием нормального пластинчатого графита в полностью перлитной металлической матрице.

Положительные результаты показал сплав ФС"г1, введение небольших количеств которого резко снизило склонность чугуна к отбелу и устранило участки ледебурита, повысив механические свойства.

• Практически аналогичные результаты получены при применении модификатора $С70Цр1,5, где при введении 0,15 % модификатора наблюдалось резкое снижение величины отбела, а при 0,3 % - почти полное его устранение. При введении в расплав 0,1 % ФС70Цр1,5 в ферритной металлической основе чугуна еще сохраняются участки графита переохлаждения, а при введении 0,3 % ФС70Цр1,5 графита переохлаждения не обнаруживается, а металлическая матрица на 98% состоит из тонкопластинчатого перлита. Модифицирующая активность сплава $С70Цр1,5 более высокая по сравнению со сплавом ФС,Мг1 и обладает более высоким уровнем механических свойств и степенью однородности структуры.

Модифицирование сплавом ФС750т максимально уменьшило склонность к отбелу по сравнению с отбеливаемостью предшествующих

трех плавок, сильно увеличив уровень прочностных 'свойств. Повышенные значения прочностных сзойств чугуна после модифицирования объясняются высокой плотностью перлита, включений цементита и полным отсутствием в структуре металлической матрицы феррита. Таким образом, сплав ЗС75Ст показал лучшие результаты по модифицирующей способности. •

В качестве критерия оценки живучести модификатора принимали суммарную глубину отбела клиньев, исследуя .динамику её изменения в зависимости от длительности выдержки модифицированного расплава. Заливку проводили через 0,5; I; 4; 8; 12; 20 мин после модифицирования расплава. Одновременно определяли глубину отбела немодифицкровзнных чугунов. Лучшие результаты получены при применении модификаторов £С70Цр1,5 и Ф1!75Ст. Однако продолжительность модифицирующего воздействия - величина непостоянная и может изменяться в зависимости от услоЕИй выплавки чугуна, степени его эвтектичности, температуры модифицирования и других факторов.

Изложенное выше позволяет заключить, что при сходстве'или близости конечного эффекта модифицирования расплавов чугуна различными добавками механизм их воздействия неоднозначен. ,

Одни из них (например, природный графит, электродный бой, карбвд кремния, тугоплавкие частицы сульфидов, оксисульфндов, отдельных элементов, в том чиоле РЗЩ оказывают непосредственное илокудирующее воздействие; другие (например, кремний, никель, медь) вызывают высокую микролокальную неоднородность расплавов с попутным выделением центров кристаллизации; механизм влияния третьих связзн с процессом активного рафинирования ими расплавов, с "развязыванием" актизноити замороженных центров кристаллизации, отравленных поверхностными ал«нкзми кислородных, сернистых, шгтри.цных, галлоидпых включении. К числу таких элементов относятся барий и стронций.

Можно, полагать, что в модификатор оптимального состава палитра присутствующих элементов обеспечит совокупное воздействие различных механизмов модифицирования. Отсюда высокая перспективность применения комплексных модификаторов, в том числа - смесэ-' вых.

7.5. Исследование смесевых модификаторов

Модифицирующей способностью обладает широкий круг материалов, начиная от графита, кремния и алюминия и далее ряд бинар-

ных и еще более с ложных систем и композиций. При этом лучшие результаты могут, быть достигнуты при применении многокомпонентных составов, в том числе путем использования смесевых модификаторов, где каждая составляющая такой смеси - элемент или соединение должна быть способна реализовать собственный механизм воздействия на возникновение или рост зародышевой фазы и поведение расплава - степень его стабильности - в момент кристаллизации.

Изучалось влияние нескольких десятков смесевых составов, для дальнейших испытаний были отобраны только те, которые иглелп лучшие показатели эффекта модифицирования: Уг I состава: 17 % Si'Ca» . 40 % графита, 16 % SC75, 22 % £/С , »2: 8 % $1Вз,.35 % графита, 15 % ФС75 , 40 % Sit , 2 % , Je 3: 7 % Л'Са, 8 % Л'Ва, 35 % графита,10 % <¿075, 40$ SsC . Модификаторы вводили в количестве 0,3 % от массы жидкого металла. Наибольшее снижение от-бела получено при применении смеси J5 3. "Живучесть" этого модификатора в 1,5 раза выше "живучести" модификатора 1У2 и в 2,0 раза - стандартного 3075. В структуре чугуна, обработанном смесью й 3 выявлена наибольшая измельченность эвтектического зерна.

• Полученные данные говорят о перспективности использования смесевых модификаторов и не исключают возможность дальнейшего совершенствования составов модифицирующих смесей применительно к чугуном конкретных составов.

8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЖШГГА РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Используя математическую модель планирования эксперимента, рассмотрим решение технологической задачи: изменение свойств чугуна в зависимости от вида и количества модификаторов, температуры чугуна и содержания серы.

Все эксперименты проводились на одной партии сырья, на одном и том же оборудовании и одним и тем же персоналом. Варьируемыми фактореми- являлись: количество серы (0,02-0,12 %): температура (1400-1500 °С); количество модификатора (0,05-0,45); вид модификатора (ФС65Ба1, <2С30У-30, £С75 Стахановского завода ферросплавов СС75СтЗФ, <Х75 производства ЧЭМК; ЗСС0Бз22, ФС75Ст).

По специально составленным программам для ¡.:ногоотк.таков':>: задач регрессионные уравнения представлены в виге номограмм, по которым можно проводить поиск оптимальных услов::й технологичос-

кого процесса. Так как юс существует множество, то для решения задач оптимизации используется обобщенная функция жегателънос-ти.

Обобщенная функция желательности является количественным, однозначным, единым я универсальным показателем качества исследуемой системы; и, еона добавить еда такие свойства, как адекватность, эффективность и статистическая чувствительность, то функцию желательности можно попользовать в качестве критерия оптимизации.

В номограмме для модификатора ФСо5Бз1 значение обобщенной функции по оценка;,: отметок соответствует удовлетворительному уровню. Благоприятными условиями в эксперименте с использованием модификатора '!С65Ба1 можно считать: количество серн 0,03 температура чугуна 1330 °С; а количество модификатора от 0,3 до 0,5 %.

Аналогично составлена номограмма для модификатора £075Ct3î. Исследовав обобщенную функцию приходим к выводу, что зведенле .юдиф.татора Ю75С?ЗФ приводят только к удовлетворительно:."»' результату.

Анализ модификатора 20о03э22 аналогичен предыдуида дзут.!. 1учп:мп условиями для кзго язлягйтся* количество серы 0,08 'емг.ература чугуна 1450 °С, количество модификатора 0,3 %.

Отличную сценку получил модификатор ФС?5Ст при количестве еры 0,08 %, температуре чугунз 1420 °С и количестве модификзто-з 0,1 %.

В итоге модификаторы можно расположить по мере убывания х влияния-по обобщенной функции желательности: ФС75Ст, ;Х!35£а1 375с*т3<5. 'оцифнкатор 2С?5Ст существенно "лучше" ЗСбЗБзТ, а по-чэзга заметно превосходит дзэ оставшихся.

9. ПРО.'.'ЩШЕПЮЕ ОПРО^ОВМПЕ ОПЫЛИX СОСТАВОВ BLÎnP/iHîbL\ Ш~ЛФ::КЛТО?ОВ

Заготовки кольца тормозного бэрэбзнз, получаемые нз Кинеме ког.: заводе "Лвтозгрегат", пои модифицирующей обработке 75:1-м ферросид:д;пем Стахановского завода ферросятавот отличаются охой обрабатываемостью при резании, основными причинами кото-и являются:

- наличие цементита в структуре металла;

- высокое содержание феррита з металлической ;.:зтр:ш,а зуктуры, особенно у внешней стенки цилиндра.

Для Еыбора наиболее рационального состава модификатора из * числа изученных в лабораторшх условиях составлена и реализована матрица планирования экспершента. Анализ результатов показал, что в качестве графитпзпруюдих кодификаторов для получения заготовки кольца тормозного барабана целесообразно использовать ферросилиций с бариеи £С65Ба1 или со стронцием. ФС?75Ст.

В цело:-; эффективность иодифпцированля чугуна модификатором с7/5ст екше, чем $С65Ба1. Однако, учитывая более высокую стоп-ыссть (более чея в 5 раз), его применение становится оправданные только в исключительных случаях, когда :.'одифип7:ров£нпе ФС65Еа1 не отвечает требованиям, цредаявляе;та: к отливкам.

В и В 0 Д'Ы ' '

1. Ка основе теоретического анализа п экспериментальных исследований разработаны эффективные способы повышения качества тонкостенных отливок из чугуна с пластинчатый графитом.

2. 1-1зучзнк Еа~не±ш:е физико-химические и структурные осо-беп-остл целого ряда модификаторов (0С75, £С.1г1, ФС55Ба1, ФС70Цр1,5, СКЗО, СКБа15, ФС75Ст), проведены исследования по изучению гх графптпзпрущей способности при модифицировании серого чугциа.

3. Установлено, что степень усвоения компонентов комплексного год;:ф:п:атора чугуна,: зависит от фазового и гранулометрического состагов модификаторов. Наличие низко- и высокотемпературных составлящпх (?аз) в составе комплексного модификатора позволяет прогнозировать его поведение в расплаве чугуна'п вероятности:* ?:ехакнзм. модифицирования.

4. Расчетами показано, что .модификаторы £€75Ст, §С65Ба1 имеют время расглавдецая больпе, че:д базовый кодификатор ФС75; 1:одг:"Тикаторк 1С7СЦр1,5 и 5С5СБа22 расплавляются приблизительно за сд::о и то кэ время. Наименьшее время расплавления характерно для легкоплавкого свлгьа СКЗО. Время растворения кодпф::-каторов зависит от их крупности п составляет для размеров частил от 3 до 10 ¡а; от I дб 7 сек. _...... _ ______

о. Установлена геллчпа: п закономерности из' енекся уроьмя поверхностного натя'г.енгя у различна уодцгиаторов. Поверхностное катя:.:ение "■од,;*цкаторСЕ е 1,5-2,С раза кг::е, чем у чугуна и с ростов темпзрат;т?н возрастает. Еслее высокое мекфасное гг-

тя;:гкпе ка граням .адад* чугун - т-ода^кас -р для еплагов ÍC75Ct, ЮбЗБа! ж ICfOUpI ,5 обуславливает белее высокую :"ву-часть аодафзкатора в чугуне и более т.ксоглй эг^акт кодп^лп-ровання.

•3. Установлена и экспериментально подтверждена роль кре?:-ния п составе «сдайщгруэтп: веществ. Кремний, будучи саг но себе слабы! модификаторе;, лграет вагнуи рель в процессах ::о-дк-^птрованзя чугуна, создавая внеокуо Слуктуаш:ок::ув неоднородность расплава, &лагспр::я?отвую:цую зарождению и росту графитовой <|азы. Однако быстрое выравнивание состава расплава в результате акттзнкх дпа^узпспных процессов, протекаэдих з лжд-ko:¿ чуткие а. процессов ^ассопере-тсса,. относительно бистро "гасит" этот эффект.

7. Показано, что введение в состав кодификаторов (сплава, смеси) халпх добавок алюшшдя, титана, циркония усиливает его г.одислцдрующукз активность, особенно г.ри вцплавке чугуна в электропечах, для которого характерно более высокое содержание азота.

8. Установлена валкая роль природы углеродсодэргкадпх жатзр::' алов (природного графита, древесного утля, кокса, электродного боя, стеклоуглерсда) на их кодпфивдрупщуи способность. Установлено, что введение в ачесевые модификаторы углеродистых "атергалов с высокой степенью грайитизации не только в гакез- • мальчоД степени йлагоцрзягстзувт "юдифхщировангзо чугуЕа, но и обеспечивает их наибольшую члзучесть.

Этнм, сакш. открываются зш<птелыше резервы в аоЕшехгг '¡одг5щпрзтее2 способностл сшсевых уодпфнкатооов.

9. Показано, что с."веетые : одп^якаторы еыгодпс оглдчеэтея от блкарянх сплавов, лучшей усвояемостью, кекьпей штагу?''еетзз, iojibceS продатЕ-тельностыо актпгного воздействия ка гасглав (":пвучесть:о"), более благоприятные экслогпче'скп: .и усло1::я:.ж: их использования.

Усплпь'зя структурированность зздкого "чугуна тагде 1 каторк свободны от возможностей отрицательного воздействия -стабилизации карбидной >3i\

10. Определены рациональные \-етодо • выбора состава ::одд.>-каторов, учатквгпоге как условия производства, так и тргЗо^а-

кля, ¡предьязляегтб к лптыэ - !:ехЕг-:лчсскг.е, техкспогпческле к cnei^aistxe сэо1с?з£.

За~::еГпл!.п Секира*-:, гсдае'петг'г jravr г г: выборе состс-: хдг^пксторг; ягляптея;

- ir.-: тя^гльнох'э згрстсла (гаг'ренкг, злгктропрчь);

- ГС.1СЗГЛ раа^ЛЕк::: сд::о~ глп дг^сгуг^енчг.тая (с гер&лгз«-ез когла е печь), гере-ггта на вг-у«:е, егатгокезке« у-'.:: к0:тей£-р;:£Я, гродсл:":?е.-:ь:-:сс?ь разллпсгСр.'ЗЕес ллгья в сггоке);

-г.О'х::? -веденлл : ;од::?лкагора. ^арлЕлто?: во

всех случаях кгляется позднее : ■ одт;

- состав есхсд-ого чугуна « 7ребсгакпя*8 гарсе

ЛИТЬЯ.

11. РазргЗстсм: : ;?сдслогпч£ скг:з осковг дзя соскслекия технологического регла:;с-йта гсдд^цпрсгь-гля чугуна е оптсак»-í-зх уелое::ях с пслг/Чснгх:: заранее з£да:гч:з слу::ебн!.:х харж'с-р::сг::к ллтсх ;:зделл*.

12. Разрсбогангзге сссгаш иоддЗпкггорсЕ опробога'п: л вкод-ренк в грааиспгззс тюксакх на ско:: завсдз "Агтоегре-гет" га отлл~кс sarcsorci: ксльга тор: ог::огс б^рабсла. Результата.-: лрс; отлпгск псдтг.ер::денк да:г.:ге лаЗоратор:и: экспериментов; одпС-'^гторгги: оказались '¿323=1 £3?S3r. С едено црадпочтеккз • оди'кк&тор'.- *¿OCZ'¿e. 1" как бслсз дешево.-у. скс::о лческл2 э^екг от :::<!z¿c¡zx pacpaíoíoj: сос;а?.:л I2M8:?,2 ;:гб.

Сс::сг:-л:е р~з:;лыа?к раЗстг

гт/едсг^Еле::*' Е

1. "осксе А.С., Сг^ьяло:, А.."., ,.;::з::кр. '.?.., "ек;есо£ А.1>., Z:*4K07 В."., Ггра:-:сг IL.;",. - Глагл. сд-дг.гатороь т. cero-: чгггте. "Гасгл^г". ?1-д-по УС ~¿¡, D I, 12 ¿4, c.I2-¿v.

2. "'.3., ?о; -5с , Трс-тьлксг-' - П'тср-хе-.г.ое

ко: гл:кс::к:-: : одг^-лх.ссрог л э" >1г:х:госгь грп Е!"£гк5 чгггза. "Г-асля^з::". .'ia-ro УС £ S, It;:,

С -г, - .

3. :;::з::г?. ::„2., Ч;.-г.бт::!: В.!'., Алексат-Дрсл , Гаклл Г.З. -З.-азгде ильная э"г*с::~г::сс1Ь :.сд"'"::г:с-.хрсь сс "яуючггем'б* 5лызт л элглепте. г. Uceecirr.

ксггГе;. "Ло:.-т;с^с э"С,=кг::;'ност:: ::ро;:сгсдстгг. :: ttpr

новых ыоцпфикаторов, расгаспггелеЛ я жп-лтур в цет&тлпаст к ^гллннсстрсснпи'', Челябинск, 27-26 ноября ISlO, 127 с.

4..Александров H.H., Капустина .Т.О., !.1пзпна П.В, - Эгфектлвггость обработки серого чугуна кошясхсншде нодзсикатора'-з!. Всесоюзн. научко-техшч. конфер. "^овшекае эффективности производства л кр;г;епе:гдя ногах ч^дифскагоров, раскпслазедеЗ я лигатур в > этгллург::я z : •ах:::острог;=31п. Чедяблкс::, 27-2G зся5ря,190С, 127 с.

5. Носков A.C., Завьялов А. Л., Мязипа -I.B., Некрасов A.B., Жучков З.Л. Определение скорости еейзлэнзк модификаторов для серого чугуна. Зсесоэзн. научпо-техкич. конфер. "Повышение эффективности производства и щскекеппя г.оеых кодификаторов, раснпслителеЗ и лигатур в г.етагтп^глп и ."аллкостсоенп:;". Челябинск, 27-28 ноября, 1990, 127 с.

S. Александров H.H., Капустина Л. С., .'.".пз-ка "1.3. - Разработка z технлко-экогюипческое обоснование критерпзв опенки -лсдифл-цпруодпх веществ дтя чугуна с гластанчатш графитов1. Научно-технпч. сешнар общ-ва "Знание" - "Состояние и перспективы развития прогрессивных ресурсосберегающих технологий в заготовительном производстве". Севастополь, 26-29 рпредя, IS20, 112 с.

ЯиЦ-

Подписано в печать 29.11.93 г.

Зак.79 ТирЛ00

Гр.Электрографии ШЮ ЦШЗЕГМАШ. Шарикоподшипниковская,4.