автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение прочности и теплопроводности чугуна путём управления процессами формирования его структуры

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛО-И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.

1.1. Влияние химического состава, фазового состояния железоуглеродистых сплавов на их тепло- и электропроводность.

1.2. Некоторые физические свойства графитной фазы в железоуглеродистых сплавах.

1.3. Тепло- и электропроводность чугунов различных видов.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Шихтовые материалы, технология плавки и заливки чугуна.

2.2. Методика измерения тепло- и электропроводности.

2.3. Методика измерения некоторых механических свойств и металлографический анализ.

3. ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЧУГУНА.

3.1. Электро и теплопроводность чугуна при переходе от включений ВГ к включениям ШГ.

3.2. Включения углерода отжига и особенности электро- и теплопроводности ковких чугунов.

3.3. Влияние металлической основы и содержания кремния в чугунах на Ш электро- и теплопроводность.

4. РАЗРАБОТКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА С ПОВЫШЕННЫМИ ПРОЧНОСТЬЮ и ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ.

4.1. Обоснование выбора химического состава чугуна и анализ его структуры.

4.2. Теплопроводность и некоторые механические свойства чугуна с псевдовермикулярным графитом.

5. ОДИН ИЗ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА С ПСЕВДОВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ.

5.1. Существующая технология производства корпусов электроконфорок, обоснование и использование в ней чугуна с псевдовермикулярным графитом

5.2. Изготовление опытных образцов электроконфорок из ЧПВГ и испытание их эксплуатационной надёжности.

ВЫВОДЫ.

За последнние несколько десятилетий развитие и совершенствование чугунолитейного производства характеризуется широким внедрением в промышленности и особенно в машиностроении высокопрочных чугунов (ВЧ). В настоящее время под понятием «высокопрочный чугун» обычно подразумеваются чугуны с шаровидными и вермикулярными включениями графита (ЧШГ и ЧВГ). Расширение производства ЧВГ связано с тем, что этот тип чугуна обладает лучшими технологическими свойствами, чем ЧШГ. Например, при переводе производимой номенклатуры отливок, ранее изготовлявшихся из чугуна с пластинчатым графитом (ЧПГ), на ЧВГ, часто отпадает необходимость в изменении технологической оснастки. Вместе с тем ЧВГ уступает ЧШГ по механическим свойствам и более трудоёмок в получении, поскольку требует применения весьма сложных по составу комплексных модификаторов, обеспечивающих получение вермикулярного графита.

При затвердевании ЧВГ на первоначальном этапе формирование графитной фазы протекает аналогично процессу графитизации в ЧПГ, т.е. с образованием пластин графита. Только на заключительном этапе кристаллизации графитные включения начинают приобретать характерную для включений вермикулярного графита (ВГ) форму. Поэтому ЧВГ по некоторым физическим свойствам занимает промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ. Отмечаются, например, большая теплопроводность и меньшая электропроводность (соответственно, большее электросопротивление) ЧВГ по сравнению с ЧШГ. В то же время причины снижения теплопроводности и электросопротивления чугуна при переходе от пластинчатой к шаровидной форме включений графита, а также некоторого повышения теплопроводности чугуна при изменении формы графита с шаровидной а на вермикулярную остаются не вполне ясными. Рассмотрение приведённых вопросов полезно не только для познания механизма сфероидизирующего графитные включения модифицирования, но и для решения ряда практических задач. При производстве некоторых изделий очень важно не только повышение механических свойств чугуна, обусловленное сфероидизацией графитных включений, но и сохранение на достаточно высоком уровне определённого комплекса физических свойств, обуславливающих определённые эксплуатационные свойства, например теплопроводности и связанной с ней температуропроводности, являющихся одними из слагаемыми жаропрочности и жаростойкости. В качестве примера изделий, где затребованы эти свойства, можно привести некоторые отливки для транспортного машиностроения (гильзы двигателей внутреннего сгорания, тормозные колодки, тормозные барабаны) а также элементы различных нагревательных устройств.

Получению дополнительной информации по теплопроводности чугунов с различной формой графитных включений и решению задачи повышения теплопроводности чугуна при сохранении на достаточно высоком уровне его механических свойств, а также уточнению некоторых вопросов механизма формообразования графитной фазы в высокопрочных чугунах посвящена настоящая диссертационная работа.

1. СОВРЕМЕННННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.

В настоящее время в машиностроении основным конструкционным материалом являются сплавы железа, из которых наибольшее распространение получили стали и чугуны. Как к сталям, так и к чугунам, предъявляются определённые требования по обеспечению необходимых свойств: механических, физических, технологических, эксплуатационных. В зависимости от назначения материала или от области его применения некоторые из вышеперечисленных свойств регламентируются стандартами или техническими требованиями. В частности, существует множество областей применения сталей и чугунов, где наряду с механическими свойствами в состав технических требований к материалу включены и определённые показатели физических свойств.

Под физическими свойствами следует понимать плотность материала, термический коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, температуропроводность, удельную теплоёмкость, удельное электросопротивление, магнитную проницаемость и т.д. Показатели физических свойств не являются отвлечёнными величинами. Установлена их тесная связь с технологическими и эксплуатационными свойствами [1]. Кроме того, как уже отмечалось выше, физические свойства могут выступать и как самостоятельные качественные характеристики материала. Примером могут служить удельное электросопротивление и теплопроводность сплава. Так, пониженное электросопротивление чугуна оказывается необходимым условием его применения в электротехнической промышленности и электротранспорте как материала для изготовления токопроводящих контактов, реостатов и т.п. Кроме того, величина электросопротивления, будучи связанной с потерями на токи Фуко обратно пропорциональной зависимостью, имеет значение для изделий, работающих в переменном магнитном поле [2].

Одним из важнейших физических свойств является теплопроводность, поскольку она оказывает влияние на многие технологические процессы изготовления детали, а именно: охлаждение отливки в форме и связанные с ним особенности формирования литой структуры, последующую термическую и механическую обработку и т.п. [3,4] Кроме того, в некоторых областях применения материала теплопроводность является определяющим основным или вспомогательным эксплуатационным свойством этого материала. Так, условия эксплуатации деталей типа гильз двигателей внутреннего сгорания требуют хорошей теплопроводности материала, используемого для их изготовления, с целью обеспечения интенсивного отвода тепла от рабочей зоны, что улучшает теплообмен в двигателе в целом и повышает износостойкость поверхности гильзы [5,6]. Хороший отвод тепла из зоны трения важен также и для деталей тормозного оборудования, поскольку рабочая поверхность некоторых тормозных деталей, например тормозных дисков автомобилей, тормозных колодок железнодорожного подвижного состава разогревается при торможении до высоких (порядка 500-600°С) температур [7]. В данном случае теплопроводность выступает как свойство, определяющее температуропроводность, а последняя, в свою очередь, является составляющей жаропрочности, т.е. способности материала сохранять определённый уровень прочностных свойств при повышенных температурах.

К настоящему времени о тепло- и электропроводности традиционно используемых конструкционных материалов накоплено множество данных. Сплавы на основе железа не составляют исключения. Причём стали с точки зрения тепловых свойств изучены значительно более полно, чем чугуны. Связано это с тем, что чугун, в известном приближениии, представляет собой двухкомпонентную систему, в которой компоненты (металлическая основа, графитные включения), имея сильно отличающиеся показатели физических свойств, оказывают значительное влияние на явления переноса тепла и электричества в сплаве в целом. Поэтому при рассмотрении вопроса о тепло- и электропроводности чугунов следует отдельно проанализировать явления переноса в металлической основе и в графите. Очевидно, что явления переноса тепла и электричества в металлической основе чугуна протекают, как и в сталях, и все данные о влиянии химического состава и фазового состояния на тепло- и электропроводность сталей могут быть в известном приближении применены и к металлической основе чугунов.

выводы

1 Установлено, что сфероидизация графитных включений в чугунах способствует значительному увеличению их электропроводности и снижению теплопроводности. Увеличение электропроводности высокопрочных чугунов является следствием эффекта микролегирования графита, проявляющего свойства примесного полупроводника в направлениях, перпендикулярных базисным плоскостям его кристаллической решётки. Особенностью большинства примесных полупроводников при их микролегироваии определёнными элементами является существенное увеличение их электропроводности и практически не изменяющаяся теплопроводность.

2 Включения пластинчатого или хлопьевидного графита, особенно если последние получены при повышенных температурах отжига, являются каналами, способствующими интенсивному теплопереносу вдоль градиента температуры. Частичная или полная сфероидизация графита в высокопрочных чугунах вызывает существенное изменение кристаллической структуры графитных включений, что сокращает количество каналов на единицу объёма и их длину. Это вызывает снижение теплопроводности сплава. В то же время электропроводность графита во включениях значительно возрастает, что вызывает увеличение электропроводности сплава в целом.

3 Наличие в чугуне включений пластинчатого графита не позволяет получать высокие механические свойства, а включения углерода отжига в существующих ковких чугунах немногочисленны и отличаются повышенной компактностью. Показано, что увеличение содержания углерода и повышение температуры отжига способствует существенному росту теплопроводности в отжигаемых чугунах.

4 Уменьшение содержания кремния и некоторое повышение содержания марганца в чугуне позволяет получать в отливках структуру белого чугуна из сплава со значительно повышенным содержанием

1. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твёрдого тела. М.: Мир, 1966. -402 с. Лившиц Б.Г. Физические свойства сплавов. М.: Металлургиздат, 1946.-238 с.

2. Лыков A.B. Теория теплопроводности М.: Металлургиздат, 1952. -340 с.

3. Мартынов Ю.Н. Динамика подвижного состава и материалытормозных систем. Л., Транспорт, 1979. -192 с.

4. Е.И. Казанцев. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1975. -366с.

5. Вейсс Р и др. Физика твёрдого тела. М.: Атомиздат, 1968. -460 с. Справочник металлиста. Под ред. Владиславлева B.C. М.: Машгиз, 1958. -т.З, кн 1.

6. Металловедение и термическая обработка: Справочник. /Под ред. Бернштейна М.Л. и Рахштадта А.Г. М. Металлургиздат, 1961. т1, 747с.

7. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. и др. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. Киев.: Наукова думка, 1986. -248 с.

8. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. Л.: Машиностроение, 1966. -562 с.

9. Физические свойства углеродных материалов. /Под ред. Шулепова C.B. Челябинск, 1988. -164 с.

10. Займан Дж. Электроны и фононы. М.: Из-во научной литературы, 1962. -142 с.

11. Справочник по электротехническим материалам. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. -340 с.

12. Краткий справочник металлиста. Под ред. Малова A.M. M.Машиностроение, 1966. -277 с.

13. Гиршович Н.Г. Современное состояние теории графитизации. Л.Машиностроение, 1959. -370 с.

14. Г.В. Бокий. Введение в кристаллохимию. М.: Машиностроение, 1954. 401 с.

15. Хансен М., Андерс К. Структуры двойных сплавов. ИЛ, 1962. -т.2.

16. Металловедение и термическоая обработка: Справочник. М. Машиностроение, 1961. —421 с.

17. Брейтуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М.: изд-во «Химия», ИЛ, 1962. -364 с.

18. Григорович В.Г. К вопросу о химической связи в решётке графита. Литейное производство, 1961, №1.

19. Иоффе А.И. Физика полупроводников. М-Л.: Изд. АН СССР, 1957. -565 с.

20. Юм-Розери В. Введение в физическое металловедение. М.: ИЛ, 1965. -450 с.

21. Жданов Г.С. Физика твёрдого тела. М.: Наука, 1962. -546 с.

22. Soul D.E. Phusikal revu, 1958, 112, р 698.

23. Клейн К.А. Органические полупроводники. М.: «Мир», ИЛ, 1962. -176 с.

24. Smith A.S. Phys. Revu. 1956. V.3. p. 452

25. Castille H.E. Prog 1 st. and 2 nd Conf. on Carbon. 1956, p.13, 155.

26. Montroll B.J. van der., Keesom P.H. Phys. Revu. 1963, v. 18, 4, p. 1311

27. Крылов В.H. Производство угольных и графитовых электродов. М-Л.: ГоНТИ, НИТП, 1939. -484 с.

28. Primar W., Fisch. Fusikal revu, 1954, 95, p.22

29. Kinchin G.N. Prog. Roy. Sog. 1958. A219, p9.

30. Данлэп У. Введение в физику полупроводников. М.: ИЛ, 1959. -266 с.

31. Abrahamson I, Maclagan R., Carbon, 22,291,1984.

32. Abrahamson I, Maclagan R., Carbon, 22,291,1984.

33. Hennig G.R. Proceedings Conf. of carbon. 1953-1955, p.104

34. Griswald M. Bee System Tech. J. 1951 30 p 271.

35. Dzureez M. Bull American Phys. Soc.,1954. 712. P.29.

36. Craft R.G. Nature. 1953, 525 p.29.

37. Чернобровкин В.П. Изменение электросопротивления чугуна в связи с образованием в нём графита.-Физика металлов и металловедение, 1957, 4, №3, с 564-566.

38. Худокормов Д.Н. Процессы зарождения и формообразования графитной фазы при микролегировании чугунов. Докт. дисс., Минск, 1967.

39. Mrozowski S. Phys. Rev. 1952. V. 86, 3, р.251

40. Powell R.W. Schoffield F.N. Proc. Phys. Soc., L. 1939 v.51, p. 153

41. Драйбл Дж., Голдсминд Г. Теплопроводность полупроводников. М.:ИЛ, 1963.-285 с.

42. Tyler W.W. WilsonA.S. Phys. Rev., 1953, v.89, 4, p.870

43. Най Дж., Физические свойства кристаллов, М.: ИЛ, 1960, -318 с.

44. Berman R. proc. Fys. Soc. L., 1952, a65, p.1029

45. Slack G.A. Phys. Rev., 1962, v. 127, 3, p.694

46. Klein C.A. Holland M.G. Phys. Rev., 1964, v. 136, 2a, p.575.

47. Berman R. Industr. Carbon a. Graphite, L., 1958, p. 42.

48. Bokkos I.C. In book "Chemistry and Phusics of carbon". N.-Y. Perg. Press. 1969, v.5, pp. 1-110 (M., ЦНИИАтомИнформ, -перевод №736/78, 1978. с. 134.

49. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1968. -290 с.

50. Angus H.T.bCast Iron. Physical and ingeneeringproperties. London, Boston, Butterworts, 1976, p.452

51. Использование радиоизотопных методов в промышленности. Под ред. Любченко А.П., М.: Атомиздат, 1975. —400 с.

52. Таблицы физических величин. Справочник.Под ред Кикоина И.К. М., Атомиздат, 1976. -610 с.

53. Piwowarski Е. Hochvertiges gusseisen. Zweite verbesserte Auflage. Springe-Verlag. Berlin 1951. s.1070 Довгалевский Я.М. Чугуны с особыми свойствами. M.: Металлургиздат, 1957. -186 с.

54. Шулепов C.B. Физика углеграфитовых материалов. М.: Металлургия, 1972. -250 с.

55. Миенар А. Теплопроводность твёрдых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968. 166 с.1.ndolt-Bornstein, Physikalisch-Chemiesche Tabellen. Berlin. 1931 Ланда А.Ф. Основы получения чугуна повышенного качества. М.: Машгиз, 1960. -230 с.

56. Отливки из чугуна с пластинчатым графитом. Марки. ГОСТ 141285.

57. Пивоварский Е.Г. Высококачественный чугун. М.: Металлургия, 1965.-401 с.

58. Founderie, 1954, 106, р.4241-4246

59. Довгалевский Я.М. Чугуны с особыми свойствами. М.:

60. Металлургиздат, 1967. -221 с.

61. Hilman M.H. Journal of Research and Development. 1954, v.5 p. 188248.

62. Васильев Е.А. Отливки из ковкого чугуна. М.: Машиностроение, 1972.-197 с.

63. Высококачественные чугуны в машиностроении. Сборник. М.: Машиностроение, 1974. 180 с.

64. Тодоров Р.П. Графитизированные железоуглеродистые сплавы. М.: Металлургия, 1981. -312 с.

65. Ващенко К.И. Софрони JL Магниевый чугун. М.-Киев: Машгиз, 1960. -307 с.

66. Everest A.B. Foundri Trade Journal. 1957, v.24, р. 154-156. Физические свойства углеродных материалов. /Под ред. Шулепова С В. Челябинск, 1988. -164 с.

67. Использование радиоизотопных методов в промышленности. Под ред. Любченко А.П., М.: Атомиздат, 1975. -400 с. Любченко А.П. Высокопрочные чугуны. М.: Металлургия, 1982. -280 с.

68. Козлов Л.Я. Воробьёв А.П. Механизм сфероидизации графита. Литейное производство, №2, 1991, с.4.

69. Schelleng R.D. Effect of centrain elements of the form of graphite inflakeniron. AFS. Cast Metals, 1, s.276.

70. Archenholtz A. Speichern von Gusseisen GGG kombiniert mitautomatischen Giessen unter Druck. Maschinenmarkt, 1978, 84, 77,s.1504-1506.

71. Андреев В.В. Ильичёва Л.В. Чугун с вермикулярным графитом-новый конструкционный материал. Двигателестроение, 1980, №3 с.33-35

72. Носов B.H. Черепанов А.А. Технология получения и свойства чугуна с вермикулярным графитом. Литейное производство, 1985, №3, с 19-21.

73. Sergaut I, Evans Е, The production and properties of compactedgraphite iron/ Brut Found, 1987, 5, p. 112-114.

74. Худокормов Д.Н. Роль примесей в процессе графитизациичугунов. Минск: «Наука и техника», 1968. -165 с.

75. Леках С.Н. Бестужев Н.И. Внепечная обработкавысококачественных чугунов в машиностроении. Минск: Наука итехника, 1992. -269 с.

76. Худокормов Д.Н. Производство отливок из чугуна. Минск: Вышейшая школа, 1987. -146 с.

77. Литовка В.И. Повышение качества высокопрочного чугуна в отливках. Киев, Наукова думка, 1987. -260 с. Ланда А.Ф. Новейшие работы по ковкому чугуну. М.: Оборонгиз НКАП., 1933.-179 с.

78. Ланда А.Ф. Чугуны повышенного качества и литьё боеприпасов. М., Оборонгиз НКАП, 1945.

79. Esser Н., Oberhoffer, Ber. Vereins, deutsch. Eisenhuttenleute, Werkstoffausschuss. Ber. 69, 1925.

80. Oberhoffer P, Kreutzer C. Arch. Eisenhuttenwess., 1929, 2 450; Stalil u. Eisen. 1929, 49, 189.

81. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны. M.: Машиностроение, 1976.202 с.

82. Koster W. Tech. Rasch. 1983, 75, 9, p. 13. Haschimoto U. Mater End. 1979, 89, 6, pp.22-24 V. Offermalm^ fl. Giesereitechik, 1982, 72, 6 ss. 34-36.

83. Замышкин К.Н., Судогода Р.И. Влияние ковки на величину зерна аустенита и свойства высокопрочного чугуна после термической обработки. //Изв. Вузов СССР. Чёрная металлургия, 1985, №11. С.112-115.

84. Schulz I.S., Sundenneher О. Die Verwendung der Gusseisen mit Kugelgraphiteinschlusse fur Offenstucken. Giessereitechnik, 1992 4, 6, s 24.

85. Исследование, разработка и освоение ресурсосберегающих технологий получения специального жаростойкого чугуна для электроконфорок и разработка прибора экспресс-контроля химического состава чугуна./Научно-технический отчёт по х/д 809/Р54-92. Минск, 1992.

86. Бунин К.П. Малиночка Я.Н. Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969. -328 с.1. Н|