автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования на основе исследований поверхностного натяжения высокоуглеродистых расплавов

1*1 в од

V о

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВА Наталия Анатольевна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА ЧУГУНА К ПРОЦЕССУ ЕГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена на кафедре физики Уральского государственного технического университета - УПИ.

Научный руководитель: - доктор технических наук,

профессор Б.А.Баум

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

- доктор технических наук, профессор В.И.Жучков;

- кандидат технических наук, доцент В.Н.Кожурков

- Институт физики металов УрО РАН

Защита состоится 16 июня 1997 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.14.01 при металлургическом факультете Уральского государственного технического университета - УПИ, 3-й учебный корпус, ауд. Мт-509.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ. Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета, тел. 44-85-74.

Автореферат разослан. / МЯЛ 1997г.

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

Шумаков Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение абсолютного большинства промышленных металлических сплавов связано с их выплавкой. В связи с этим, по мере углубления сведений о твердом состоянии, все большее внимание уделяется предшествующей ему в технологической цепи производства жидкой фазе. Для достижения в процессе выплавки наибольшего эффекта рафинирования, легирования, модифицирования и других операций необходимо накопление сведений о свойствах металлических расплавов, в частности, таких, как поверхностное натяжение и плотность. Подобные сведения способствуют разработке приемов для формирования наиболее благоприятного микроскопического состояния расплава, обеспечивающего при неизменном химическом составе наилучшие свойства твердого металла. Эти данные так же необходимы, как справочный материал для выполнения технологических и конструкторских расчетов, научных обобщений и раскрытия новых закономерностей причинной взаимосвязи: состав - строение - свойства.

Среди огромного разнообразия составов промышленного металла существенную роль играют чугуны. Основная часть выполненной диссертационной работы посвящена исследованиям эвтектических сплавов железа с углеродом и жидких чугунов, а также оптимизации подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования. Структура жидких чугунов сложна и многообразна. Сведения, имеющиеся в литературе о форме существования углерода в расплавах, крайне противоречивы. В то же время состояние исходного расплава, значения его физических свойств влияют на процесс структурообра-зования. Именно поэтому для углубления представлений о структурных изменениях исследованных в работе промышленных расплавов чугунов изучены модельные сплавы систем Ре-С и Ре-С-81, составляющие их основу.

Диссертационное исследование выполнено в соответствии с научно-технической программой Министерства образования РФ "Новые ресурсосберегающие металлургические технологии", 1994-1997 г.

'•■" Цель работы. Исследование временных, температурных и концентраци онных зависимостей поверхностного натяжения жидких сплавов Fe-C Fe-C-Si. Углубление представлений о природе структурных превращений i этих расплавах в результате изменения температуры и состава.

Изучение температурных зависимостей поверхностного натяжения жид ких промышленных чугунов. Анализ полученных данных в совокупности < результатами исследования других физических свойств и структуры в твердо» состоянии. Разработка оптимальных температурно-временных режимов под готовки расплава чугуна к процессу его модифицирования.

Научная новизна. Обнаружен осциллирующий характер временных зави симостей поверхностного натяжения и плотности как модельных сплаво! Fe-C, Fe-C-Si, так и промышленных чугунов. Полученные результаты находя: объяснение в рамках теории неравновесных процессов.

Изучены температурные и концентрационные зависимости плотности i поверхностного натяжения сплавов систем Fe-C, Fe-C-Si вблизи эвтекти ческого состава.

Температурные и концентрационные зависимости плотности исследо ванных расплавов линейны.

Наклон политерм поверхностного натяжения ст(1) Ре,С-сплавов зависит от содержания углерода в сплаве. По мере приближения к эвтектическому составу температурный коэффициент da/dt меняет знак с отрицательного ш положительный. Наклон изотерм о(%С) определяется температурой рас плавов. В интервале 1400-1500°С знак концентрационного коэффициент dcr/d(%C) меняется с отрицательного на положительный.

Температурный коэффициент da/dt политерм поверхностного натяжения a(t) Fe-C-Si-сплавов положителен и практически не зависит от составе сплавов. Что касается совместного действия углерода и кремния на значенш с, то на зависимостях с(Сэ) наблюдаются следующие две тенденции: а) i доэвтектических сплавах с увеличением значения Сэ поверхностное натяженш

уменьшается; б) в заэвтектических сплавах с увеличением значения Сэ поверхностное натяжение увеличивается.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить адсорбцию углерода и кремния и ряд других характеристик расплавов. Состав поверхностного слоя эвтектических Ре,С - расплавов мало отличается от состава объема и может быть описан формулой РеуС, у>2. В поверхностном слое присутствуют квазимолекулы РеО в количестве, зависящем от содержания кислорода в объеме. Состав поверхностного слоя Ре.С.Б! - расплавов может быть описан как совокупность двух квазимолекулярных образований РеуС и Рег51, где у,г>2.

Практическая ценность. Результаты комплексного исследования структуры и свойств высокоуглеродистых сплавов в жидком и твердом состояниях явились основой разработанных процессов термовременной обработки расплавов.

Применение разработанных технологий подготовки равновесного расплава перед модифицированием чугуна позволило повысить его качество. Реализация ТВО расплава в технологию способствовала измельчению структуры и повышению механических свойств твердых образцов. Модифицирование расплава после ТВО является наиболее эффективным, так как графитные включения принимают шаровидную форму, механические свойства твердого металла улучшаются.

Практические рекомендации по совершенствованию подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования использованы на Уральском автомобильном заводе (г. Миасс).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты исследований временных, температурных и концентрационных зависимостей плотности и поверхностного натяжения расплавов систем Бе-С и Ре-С-Бь а также расплавов промышленного чугуна, в том числе:

- осциллирующий характер временных зависимостей поверхностного натяжения и плотности как модельных сплавов Ие-С, Ие-С-Б!, так и промышленных чугунов;

- значения температурных и концентрационных коэффициентов политерм и изотерм поверхностного натяжения сплавов Ре-С и Ре-С-Бц

- сведения о составе поверхностных слоев изученных сплавов;

- практические рекомендации по совершенствованию подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования на основе комплексного исследования его физических свойств.

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 3 научных статьях, доложены на 4 конференциях, приняты в печать 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 146 страницах, включает 29 рисунков, 13 таблиц и список используемой литературы, содержащий 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель иследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждаются различные модели атомного строения жидких металлов и сплавов. Их обзор показывает, что в настоящее время не существует модели, имеющей универсальное применение. Каждая с успехом решает определенный круг задач. Однако вблизи температуры плавления наиболее адекватное описание температурных и концентрационных зависимостей свойств жидких сплавов переходных металлов дает квазихимическая модель микронеоднородного строения вещества. Рассмотрены особенности изменений строения расплавов под влиянием температуры. Эти изменения могут происходить как в равновесных жидкостях (и иметь обратимый характер), так и в неравновесных расплавах. Последние имеют необратимый

характер и вызывают ветвление политерм физических свойств. Наиболее простым и эффективным энергетическим способом воздействия на неравновесный расплав является его термовременная обработка. Положительный эффект ТВО проявляется в получении равновесной, стабильной структуры расплава, устранении влияния исходных шихтовых материалов и, в конечном итоге, улучшении качества готовой металлопродукции.

Обращается внимание на противоречивость экспериментальных данных о физических свойствах Ре.С-сплавов, а также промышленных расплавов чугунов.

Приведенные в литературе сведения о модифицировании чугунов ограничены и противоречивы. Ни одна из предложенных гипотез о механизме действия модификаторов не может полностью описать всего многообразия модифицирующего действия добавок.

Вышесказанное обусловливает актуальность исследований температурных зависимостей физико-химических свойств промышленных расплавов, а также модельных сплавов, лежащих в их основе.

Во второй главе описывается экспериментальная установка и методика проведения эксперимента. Оценивается погрешность измерений.

Для определения поверхностного натяжения жидких металлов в работе использован метод "большой капли", в котором реализован способ принудительного формирования капли металла на подложке. Эксперименты проводились в высокотемпературной установке горизонтального типа. Каплю металла проецировали на матовое стекло, размещенное на специальном подвижном столике. С помощью двух высокоточных датчиков измеряли необходимые параметры капли металла и по ним вычисляли плотность и поверхностное натяжение расплава. Измерение размеров капли металла непосредственно на экране оптической системы позволило повысить точность эксперимента и обеспечить экспрессность данного метода определения а.

До и после опыта отбирались пробы на химический анализ содержания кислорода. Его в исследуемых образцах определяли методом восстановительного плавления в потоке газа-носителя на газоанализаторе "O-N-mat 822" фирмы "Штрёляйн" (Германия).

Относительная ошибка определения поверхностного натяжения от опыта к опыту составляла 2%, в одном опыте - 1,5%.

В третьей главе рассмотрено поведение кислорода в расплавленных металлических образцах в ходе физического эксперимента. Описаны термодинамические процессы, происходящие в трехфазной системе металл-газ-тигель. Приведены результаты оценочного расчета содержания кислорода в расплаве железа в зависимости от материала тигля, нагревателя, температуры и сведения о фактическом содержании кислорода в исследуемых образцах.

Исследовали временные, температурные и концентрационные зависимости плотности d и поверхностного натяжения а четырех сплавов железа, содержащих 2,1; 3,4; 4,3; 4,8 мас.%С.

Ранее в научной литературе сообщалось, что при изучении свойств некоторых многокомпонентных металлических жидкостей, после расплавления и нагрева образца до заданной температуры, изменение свойств в процессе изотермической выдержки т напоминает типичную картину затухающих колебаний, несколько осложненных дополнительными гармониками-помехами. В настоящем исследовании также наблюдались подобные колебания d(x) и а(т). Однако они не затухали в течение трех и более часов. Некоторые временные зависимости приведены на рис. 1. Период колебаний значений d и а составляет 10-20 мин. Амплитуда колебаний плотности - около 3%, поверхностного натяжения - (7-10)% от средних значений.

Подобные колебания физических величин и характеристик наблюдаются в неравновесных системах и являются объектами изучения термодинамики необратимых процессов. В нашем случае неравновесное состояние системы (квазиравновесие) поддерживается стационарными внешними условиями.

Рис. 1. Зависимости поверхностного натяжения ст Ре.С-сплава (4,3%С) от времени т. Цифры у кривых - температура, °С

Энергия подводится к исследуемому образцу (капля) и отводится от него непрерывно (рис. 2). При этом в нелинейной области система может освобождаться от избыточной энергии путем формирования стационарной диссипа-тивной структуры подобно ячейкам Бенара, когерентному излучению лазера и т.п. Однако возможно возникновение и не стационарных, а периодически возникающих и исчезающих диссипативных структур. Если система находится вблизи точки излома термодинамической ветви (не слишком большой уход в неравновесную область), в ней может возникнуть колебательный процесс типа автокаталитической реакции.

Понятие диссипативной структуры включает в себя, в частности, периодические пространственно-временные образования типа автоколебаний. Диссипативная структура может отличаться от исходной только лишь степенью порядка, т.е. энтропией. Возможно, но совсем необязательно, чтобы

1ТЯ т ( Т \

Т А——¿Гт, 1

12 I I )

(

Рис. 2. Схематичное изображение исследуемого образца (капли) в трубчатом нагревателе. Стрелками показаны направления тепловых потоков в экспериментальной ячейке. Указаны температуры: Тн - нагревателя; Т| - участка поверхности капли, принимающего тепловой поток от нагревателя; Тг - участка поверхности капли, отдающего тепловую энергию в сторону холодного торца

эти структуры, исходная и диссипативная, отличались по координационному числу и другим принципиальным характеристикам. Условия возникновения диссипативной структуры: открытая (незамкнутая) система, динамические уравнения системы нелинейны, отклонения от равновесия превышают критические значения, микроскопические процессы происходят кооперативно, согласованно. Последнее связано с тем, что конденсированная среда с сильными химическими взаимодействиями препятствует хаотическому поведению частиц. Важно подчеркнуть, что кооперативный процесс формирования диссипативной структуры захватывает сначала наиболее разупорядоченные участки исходной структуры и по мере их роста диссипативная структура может охватить практически весь образец.

Полученный вид экспериментальных зависимостей, а также аналогия их с подобными явлениями в химии, биологии и других областях исследований позволяют сделать предположение о периодическом и поочередном протекании в системе двух конкурирующих процессов. Первый обусловлен общей тенденцией к беспорядку и росту энтропии, т.е. разрушению ближнего порядка, свойственного исходным компонентам. Второй, согласно принципу

ю

Ле-Шателье, определяется стремлением системы, получающей при нагреве избыточную энтропию, избавиться от нее путем самопроизвольного формирования новых упорядоченных диссипативных структур с меньшей энтропией.

Реальный периодический цикл, описывающий релаксацию структуры расплава с учетом затухания, имеет вид, показанный на рис. 3,а. Введение временной координаты позволяет представить релаксационный процесс в виде траектории в трехмерном пространстве. Это коническая винтовая линия, закручивающаяся вокруг стационарного состояния и приближающаяся к нему с течением времени (рис. 3,6).

Рис. 3. Модель реального периодического цикла релаксационного процесса расплава (81 - энтропия исходной, Б: - энтропия новой структуры): а - проекция на плоскость; б - траектория в трехмерном пространстве, т - ось времени

Данные об осциллирующем характере релаксации Ре,С,0-расплава не только не противоречат основным положениям неравновесной термодинамики, но и могут быть качественно описаны в рамках теории неравновесных процессов. Поведение осциллирующих. систем свидетельствует о периодическом возникновении и исчезновении пространственных диссипативных структур, а точнее - о переходе одной структуры в другую.

Проанализированы температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения и плотности жидких Ре-С-О-сплавов.Плотность каждого из исследованных образцов в интервале (1300-1600)°С в: пределах

8г

б)

чувствительности метода к температурным изменениям 1,5% остается практически постоянной. Изотермы плотности сплавов в интервале (2,0-4,8)%С описываются уравнением:

{6,8-6,6-10-2[%С]} • 1 оз (кг/мЭ). Эти данные неплохо согласуются с опубликованными ранее.

На рис. 4 приведены усредненные политермы и изотермы поверхностного натяжения. Известно, что в многокомпонентных расплавах с неравноценными межчастичными взаимодействиями при нагреве происходят два процесса, оказывающих противоположное действие на значения в системы. Первый - увеличение расстояний и ослабление энергии взаимодействия между структурными единицами расплава, другими словами, между атомными ассоциациями, группировками, комплексами, в которых частицы связаны сравнительно прочными внутренними взаимодействиями. Этот процесс, как и в чистых металлах, приводит к понижению о (этот процесс преобладает в доэвтектических образцах, рис. 4,а). Второй процесс - это распад, диссоциация, измельчение атомных ассоциаций, вызывающий освобождение ранее

а б

Рис. 4. Зависимости поверхностного натяжения ст железоуглеродистых расплавов: а - от температуры, цифры у кривых - мае. %[С] в сплаве; б - от содержания углерода, цифры у кривых - температура, °С

1мкнутых внутри комплексов прочных связей. Вновь образующиеся относи-:льно мелкие группировки и отдельные атомы оказываются прочнее связан->ши с окружающими их структурными единицами расплава. Средняя энер-[я их взаимодействия возрастает, что ведет к росту значений о (второй прочее характерен для эвтектического и заэвтектического образцов, рис. 4,а).

Как следует из рис. 4,6, наклон изотерм ст(%С) определяется температу-)й расплавов. В интервале 1400 - 1500°С знак концентрационного коэффици-[та do/d(%C) меняется с отрицательного на положительный. Эти данные «де-тельствуют о высокой микронеоднородности Fe,С,О - расплавов при t 1400°С и об интенсивных изменениях их структуры при нагреве.

Изотермы о позволяют оценить адсорбцию Гс углерода и приближенно шеать состав поверхностного слоя исследованных расплавов. Более юснованную оценку значений Гс, а также соотношение между объемными с и поверхностными Ncra мольными долями углерода дают расчеты по эрмулам С.И. Попеля и В.В. Павлова:

Ncm/Nc=exp[(oo)c-Ac)/RT], rc=(Ncm-Nc)/o)=Nc/a)-{exp[(acoc-Ac)/RT]-l}, це coc=fNA1/3Vc2/3 - парциальная молярная поверхность углерода в расплаве; л - число Авагадро; f - коэффициент упаковки; <B=Z(Nim-<Bi) - средняя моляр-1Я поверхность расплава; Ac=oc0 coc°-aRTlnyc - работа выхода частиц угле-)да на поверхность; а - коэффициент, учитывающий долю недостающих свя-й атома углерода в поверхностном слое по сравнению с объемом; ус - коэф-щиент активности углерода; ос° - поверхностное натяжение чистого угле->да. Зная Гс, можно оценить величину площади S в поверхностном слое, жходящуюся на один атом углерода, а также количество (S-Sc/Spe) атомов :леза, связанных с одним атомом углерода. Здесь Se и Si-e - собственная гащадь атомов углерода и железа в поверхностном слое Si = ©¡/Na-= 1/ (Cs-Na); Cs = Cv + Гс; Cv = Nc/ю,

где Cs и Cv - соответственно поверхностная и объемная концентрации угл» рода, моль/см2.

Главный вывод выполненных расчетов состоит в том, что в поверхнос ном слое расплавов, близких к эвтектическому, на каждый атом углерод приходится 2-5 атомов железа и 1-2 атома кислорода. Другими словами, со< тав поверхностного слоя исследованных расплавов близок к составу цемент! та, или к FcyC, где у>2, при наличии некоторого количества квазимолеку FeO^ соответствующего изотермам адсорбции кислорода.

' Таким образом, политермы и изотермы свойств, а также выполненные н их основе расчеты адсорбции и других физико-химических характеристи расплавов свидетельствуют об их микронеоднородном строении и сильно ' зависимости последнего от температуры. Состав поверхностного слоя и слишком отличается от объема и по мере роста концентрации углерода при? лижается к составу цементита.

В четвертой главе исследовали временные, температурные и концеь трационные зависимости плотности d и поверхностного натяжения a Fè-C-S сплавов, близких по составу к эвтектике. Концентрация кислорода во все образцах до и после опытов находилась в пределах 0,002-0,003 мае.0/ Временные зависимости плотности d(x) и поверхностного натяжения а(т) не сят колебательный характер. Колебания не затухают в течение 1,5 и более ч; сов. Амплитуда колебаний плотности d около 4%, поверхностного натяжени - 6-10% от среднего значения.

Температурные и концентрационные зависимости плотности исследс ванных расплавов системы Fe-C-Si линейны. Температурный коэффициен dg/dt политерм поверхностного натяжения o(t) всех исследованных сплаво ,гголржителен и практически не зависит от состава сплавов.. Изотермы а(%С имеют типичный для поверхностно-активных добавок вид (рис. 5).., .Увел* чение содержания углерода в сплавах приводит к образованию поверхностнс активных углеродсодержащих группировок, которые и понижают а. Ув(

личение содержания кремния в расплавах оказывает несколько меньшее влияние на значения поверхностного натяжения. СУ, мДж/м2 1800

1400

1800

1400

1800

1400

1800

1400

3,4 3,8 %[С]

Рис. 5. Зависимости поверхностного натяжения о Fe,C,Si - сплавов от содержания в них углерода. Цифры у кривых - температура, "С

Совместное действие углерода и кремния иллюстрируется зависимостями а(С\). В сплавах доэвтектического состава (С,<4,4) углерод и кремний 1вляются поверхностно-активными, а заэвтектического (Сэ>4,4) - поверх-яосгно-инактивными.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить адсорбцию углерода и кремния и ряд других характеристик расплавов. Состав поверхностного слоя Fe,C,Si - расплавов может быть описан как совокупность двух квазимолекулярных образований FeyC и FezSi, где y,z>2.

При изучении Fe,C,Si - сплавов, имеющих низкое содержание кислорода, проверили, какова форма существования графита в кристаллических образ-

is

цах. Предварительно образцы в ходе опыта нагревались до 1600°С. Оказалось, что, действительно, как и предсказали некоторые исследователи, работы которых цитируются в первой главе, при низкой концентрации кислорода в образцах графит представлен в шаровидной или вермикулярной формах.

Пятая глава посвящена исследованию влияния температурно-временной обработки (ТВО) расплава на эффект модифицирования чугуна. На рис. 6 изображены термограммы серийной и опытной плавок. Стрелками отмечены моменты слива металла в ковш емкостью 20 кг. Здесь же приведен номер ковша, которому соответствует номер образца, использованного для исследований. Как видно из рис. 6, опытная плавка отличалась от серийной, главным образом, температурой нагрева расплавленного чугуна. Вместо 1400°С максимальная температура нагрева была кратковременно (в описываемом опыте на 10 мин) повышена до 1600°С. Значение максимальной температуры нагрева получено на основе анализа температурных зависимостей физических свойств образцов жидкого чугуна, отобранных на серийной плавке.

Прежде всего установили, остаются ли постоянными или как-то меняются свойства (поверхностное натяжение и кинематическая вязкость) расплава образцов чугуна серийной плавки в процессе изотермической выдержки. Оказалось, что выдержка расплава при температуре 1400°С (темпе-

Рис. 6. Термограммы серийной (а) и опытной (б) плавок. Обозначения смотри в тексте

>атура разливки серийной плавки) не приводит к полному затуханию колебаний даже в течение полутора часов, в то время как при нагреве до 1550°С голебания затухают практически за 30 минут. Эти результаты можно ис-юльзовать как дополнительное свидетельство высокой степени неравно-lecHocru исходных расплавов чугуна и протекания в них сложных процессов »астворения и формирования многоатомных структурных образований.

Для каждого расплава существуют свои температуры особого интенсив-юго изменения структуры. Нагрев до этих критических температур способ-твует переходу системы в равновесное или близкое к нему состояние.

На рис. 7 приведены усредненные политермы поверхностного натяжения r(t) и кинематический вязкости v(t) образцов серийной плавки. Политермы говерхностного натяжения cr(t) серийных образцов характеризуются наличи-:м гистерезиса, т. е. несовпадением ветвей нагрева и охлаждения. Нагрев всех >бразцов сопровождается нелинейным ростом а. По-видимому, при этом гроисходит распад крупных атомных группировок и растворение частиц гра-эитц. Судя по резкому повышению интенсивности роста ст, этот процесс особенно ускоряется при температурах 1350-1450°С, Заметим, что поверхностное

Рис. 7. Усредненные политермы поверхностного натяжения а (а) и синематической вязкости V (б) образцов серийной плавки

жидкостей понижается с ростом температуры. Анализ политерм o(t показывает, что изучаемые растворы переходят в такое равновесное (илг близкое к нему) состояние только при нагреве до 1530-1600°С. Это так назы ваемая критическая температура.

Политермы кинематической вязкости образцов чугуна изучали крутиль но-колебательным методом Е.Г.Швидковского. Кривые v(t) серийных образ цов также характеризуются наличием гистерезиса. Вязкость исходного рас плава оказалась ниже, чем перегретого, что также подтверждает наличие i исходном расплаве, кроме включений нерастворившегося графита, сравни тельно крупных комплексов разноименных атомов, причем не только тип; FeSi, FeMn, FeCr, VnCrC, но значительно более сложных.

Таким образом, для перевода исследуемого расплава чугуна в равно весное состояние необходим его нагрев до критической температуры, равно! 1600°С.

Исследовали влияние описанной высокотемпературной обработки рас плава на форму графита и свойства твердого металла. На рис. 8 показан вщ включений графита исследованных образцов. В структуре исходного образце серийной плавки (образец N 1) форма включений графита пластинчата} (рис.8,а). После ТВО расплава (образец N 3) линейные размеры графитньп включений уменьшаются (рис. 8,6). Графит - равномерно распределенный пластин-чатый, завихренной формы. Высокотемпературная обработке расплава приводит к повышению а„ от 165 до 180 МПа.

Модифицирование исходного расплава чугуна несколько изменяет фор му включений графита (образец N 2). В структуре наблюдается равномернс распределенный вермикулярный графит извилистой формы (рис. 8,в). Введе ние модификатора в расплав после высокотемпературной обработки (образа N 4) позволяет получить в структуре вместо вермикулярного равномерно рас пределенный шаровидный графит (рис. 8,г). Последний позволяет значи тельно повысить механические и эксплуатационные свойства чугуна, т.к. он

^ 9

V*1 ^ <

-Ж.«-:-:-:-'--Г-Ж

1кг»* Л** V V • « - *

г V И \ • . • *

Рис. 8. Вид включений графита в исследованных образцах, хЮО: а - N1; б - N2; в - N3; г - N4

шляется меньшим концентратором напряжений, чем пластинчатый и верми-<улярный. Предел прочности на растяжение образцов N 2 и 4 составляет »ответственно 480 и 590 МПа.

Помимо изложенного изучено влияние условий выплавки и модифицирования на микроструктуру матрицы серого чугуна. Структура матрицы гипичная для серого чугуна. Она имеет ферритоперлитную основу. В образ-де, полученном по серийной технологии (образец N 1), феррит преиму-цественно располагается вблизи пластинок графита в виде отдельных участ-<ов. Перевод расплава в равновесное микрооднородное состояние в ходе эпытной плавки приводит к возрастанию количества феррита в структуре с 10 до 18 об.% (образец N 3). Несколько изменяется и место его выделения. Феррит располагается как вблизи пластинок графита, так и по выделениям

междендритного графита. Микротвердость перлита практически не изменяется.

Введение модификатора в расплав оказывает существенное влияние на строение и свойства матрицы. Модифицирование чугуна в ходе серийной плавки (образец N 2) приводит к изменению типа металлической основы. Вместо перлитной она становится практически ферритной, лишь в отдельных областях наблюдаются участки с перлитной структурой. Количество феррита в этом случае составляет около 70 об.%. При этом микротвердость перлита понижается незначительно (на 10%). Если же модифицировали чугун, прошедший предварительную термовременную обработку (образец N 4), то тип матрицы практически не изменяется - остается перлитный. При этом, если в образце N 2 наблюдается существенное увеличение количества феррита с 10 до 70%, т.е. почти в семь раз, то в образце N 4 количество феррита даже несколько уменьшается и составляет 4 об.%. Микротвердость матрицы возрастает на 10% по сравнению с немодифицированным образцом.

Таким образом, подготовка расплава (ТВО) повышает прочность матрицы твердого металла и уменьшает размер графитных включений. ТВО и модифицирование позволяют получить шаровидный графит. В итоге введение модификатора в хорошо подготовленный расплав наиболее эффективно по сравнению с неподготовленным, неравновесным расплавом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Выполненная работа посвящена изучению временных, температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения жидких сплавов Ие-С, Ре-С-Б1 и промышленных чугунов. Полученные данные в совокупности с результатами исследований других физических характеристик сплавов позволили разработать рекомендации по совершенствованию температурно-вре-менных режимов подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования. Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Установлено, что поведение кислорода в расплаве в ходе физического эксперимента определяется не столько равновесными значениями концентраций кислорода в металле, полученными с помощью термодинамических расчетов, сколько кинетическими характеристиками процессов перехода кислорода из тигля в расплав и выхода его в газовую фазу. Решающую роль играют, по-видимому, кинетические затруднения на границе тигель - жидкий металл, а также содержание углерода в металле.

2. Проведены исследования временных, температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения и плотности жидких Fe,C,0 - сплавов вблизи эвтектического состава.

Обнаружен осциллирующий характер временных зависимостей плотности и поверхностного натяжения жидких Fe,C,0 - сплавов, близких к эвтектическому составу.

Температурные и концентрационные зависимости плотности исследованных расплавов линейны и неплохо согласуются с литературными данными.

Наклон политерм поверхностного натяжения o(t) зависит от содержания углерода в сплаве. По мере приближения к эвтектическому составу температурный коэффициент do/clt меняет знак с отрицательного на положительный.

Наклон изотерм о(%С) определяется температурой расплавов. В интервале 1400-1500°С знак концентрационного коэффициента da/d(%C) меняется с отрицательного на положительный. Эти данные свидетельствуют о высокой микронеоднородности Fe.C.O - расплавов при t<1400°C и об интенсивных изменениях их структуры при нагреве. При температурах выше 1500"С углерод в Fe,C,0 - расплавах либо слабо поверхностно активен, либо инактивен.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить адсорбцию углерода и ряд других характеристик расплавов. Состав поверхностного

слоя эвтектических Fe,С - расплавов мало отличается от, состава объема и может быть описан формулой FeyC, где у>2. В поверхностном слое присутствуют квазимолекулы FeO в количестве, зависящем от содержания кислорода в объеме.

3. Изучены временные, температурные и концентрационные зависимости плотности и поверхностного натяжения сплавов системы Fe-C-Si вблизи эвтектического состава. Температурные и концентрационные зависимости плотности исследованных расплавов системы Fe-C-Si линейны.

Температурный коэффициент da/dt политерм поверхностного натяжения a(t) всех исследованных сплавов положителен и практически не зависит от состава сплавов.

Изотермы а(%С) имеют типичный для поверхностно-активных добавок вид. Увеличение содержания кремния в расплавах оказывает несколько меньшее влияние на значения поверхностного натяжения. При совместном действии углерода и кремния в сплавах доэвтектического состава (Сэ<4,4) углерод и кремний являются поверхностно-активными, а заэвтектического (Сэ>4,4) -поверхностно-инактивными.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить адсорбцию углерода и кремния и ряд других характеристик расплавов. СостаЕ поверхностного слоя Fe,С,Si - расплавов может быть описан как совокупность двух квазимолекулярных образований FeyC и Fe7.Si, где y,z>2.

4. Исследованы временные и температурные зависимости вязкости и по верхностного натяжения расплавов промышленных чугунов Обнаружен ос циллирующий характер временных зависимостей поверхностного натяженш и вязкости промышленных чугунов. Нагрев и выдержка при температур* выше критической приводит к наиболее быстрому переходу расплава в со стояние, близкое к равновесию.

Температурные зависимости поверхностного натяжения и вязкости чу гунов серийной плавки носят немонотонный характер. Анализ политерм вяз

ости и поверхностного натяжения позволил определить критическую темпе-атуру расплавов.

5. Исследовали влияние термовременной обработки расплава на струк-уру и свойства твердого металла, а также на эффективность модифици-ования чугуна. ТВО расплава повышает прочность матрицы твердого ме-алла, уменьшает размеры графитных включений и повышает механические войства. Модифицирование расплава после ТВО является наиболее ффекшвньш, так как графитные включения принимают шаровидную форму i не вермикулярную, если расплав не прошел ТВО), механические свойства вердого металла также повышаются.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Третьякова Е.Е., Зайцева H.A., Барышев Е.Е. Изучение особенностей негоциации оксидов методом фракционного восстановительного плавле-ия/Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции "Строение и свойства ¡етаплических и шлаковых расплавов". Екатеринбург , 1994. Т.2. С.91.

2. Разработка нового метода анализа неметаллических включений [етодом восстановительного плавления /Е.Е.Барышев, H.A. Зайцева, '..Е.Третьякова, Г.В.Тягунов// Тезисы докладов Международной научно-ехническои конференции "Проблемы автоматизации и технологии в [ашиностроении". Рубцовск, 31 мая-5июня 1994. С.36.

3. Изучение влияния подготовки расплава на количество и форму су-¡ествовапия кислорода в сплавах системы Fe-C-Si /Н.А.Зайцева, Д.В. Егоров, ¡.Е.Барышев, Д.В.Пересмехин// Тезисы докладов Российской межвузовской аучно-технической конференции "Фундаментальные проблемы металлур-ии". Екатеринбург, 1995. С.34.

4. Harnessing of fractional oxygen analysis to determination the nonmetallic íclusions in the steels and alloys / E.E.Barishev, N.A.Zajtseva, B.A.Baum,

E.E.Tretjakova // Advanced materials and processes. Third Russian-Chines Symposium. Kaluga. Russia. October 9-12. 1995. P. 387.

5. Изучение диссоциации оксидов методом фракционного восстанови тельного плавления / Е.Е.Третьякова, Е.Е.Барышев, Б.А.Баум, H.A. Зайцев; //Расплавы. 1995. №3.-С. 31-36.

6. Поведение кислорода в расплавленных металлических образцах в ход физического эксперимента / Н.А:Зайцева, Б.А.Баум, В.В.Вьюхин //Расплавы 1996. №3. С. 16-19.

7. Барышев Е.Е., Зайцева H.A., Вандышева И.В. Исследование влияни; легирующих элементов на общее содержание и форму существования кисло рода в сталях типа 25ХЗМЦ // Изв. вузов. Черная металлургия. 1996. № 6 С. 75-76.

8. Плотность и поверхностное натяжение сплавов железа с углеродом вблизи эвтектического состава / Н.А.Зайцева, Б.А.Баум, В.С.Цепелев и др. I Расплавы. 1997. № 1.

9. Плотность и поверхностное натяжение сплавов системы Fe-C-Si вблиз1 эвтектического состава / Н.А.Зайцева, Е.Е.Барышев, В.С.Цепелев и др.// Изв вузов. Черная металлургия. 1997.

Подписано в печать 5.05.97 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,09 Тираж 100 Заказ 108 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, Мира, 19