автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение свойств отливок из чугунов специального назначения путем рафинирования и модифицирования их расплавов

КОНТРОЛЬНЫЙ

! о о г

I а >"• -

„ч г» п -п ;"

4852871

Шевченко Андрей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПУТЕМ РАФИНИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ИХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2011

5 СЕН 2011

4852871

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Колокольцев Валерий Михайлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кулаков Борис Алексеевич;

кандидат технических наук Женин Евгений Вячеславович.

Ведущая организация

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург.

Защита состоится «29» сентября 2011 года в 14 ч на заседании диссертацио! ного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный те: нический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Л< нина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магните горский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «_

2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванов В.Н.

Актуя.пыюсть работы. Широкое применение в промышленности нашли комплексно-легированные белые чугуны (КЛБЧ) для литых деталей, работающих в сложных условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания, высоких температур, агрессивных газовых сред, что требует сочетания механических и специальных свойств. Целесообразность их применения связана с особенностями строения литой макро- и микроструктуры, обеспечивающей требуемые показатели ком-

ПЛеКСауправлять литой структурой и свойствами чугунов можно путем изменения химического состава, скорости охлаждения, модифицирования, рафинирования, термовременной и термической обработками.

Рафинирование позволяет получать сплавы надлежащего качества, что достигается снижением до известных пределов содержания вредных примесеи и газов. Модифицирование способствует измельчению структурных составляющих и соответственно повышению качества получаемого литья. Сочетание рафинирования и модифицирования позволяет активно воздействовать на степень чистоты сплава, размер зерна, состав и морфологию избыточных фаз и влиять на весь спектр

свойств.

Перспективным направлением воздействия на кристаллизационные процессы а через них на структуру и свойства отливок из КЛБЧ, является термовременная обработка (ТВО) сплава в жидком состоянии перед заливкой. Достаточно широко и весьма эффективно применяется ТВО расплавов при производстве отливок на основе алюминия и титана и практически не используется для расплавов белых чугунов по причине слабой изученности процесса. Таким образом, повышение свойств отливок из КЛБЧ является актуальным вопросом.

1пк И чанами работы. Целью работы является повышение свойств отливок из чугунов специального назначения путем улучшения их первичной литои структуры рафинированием, модифицированием и термовременной обработкой расплавов Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1 Исследование влияния рафинирования и модифицирования на особенности формирования структуры и свойств отливок из КЛБЧ в различных условиях охлаж-

Д6НКЯ'

'2 Изучение механизма воздействия рафинирующе-модифицирующих материалов на структуру и свойства КЛБЧ, определение их рационального количества и температурно-временных параметров процесса для улучшения структуры и свойств отл ивок

3. Исследование и разработка режимов температурно-временной обработки расплавов КЛБЧ.

4. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство отливок разработанного рафинирующе-модифицирующего комплекса.

Научная новизна работы

1 Изучено влияние кальций-стронциевого карбоната ((Са,8г)С03), кальция (СК20), ферробора (ФБ20) и модификатора на основе титана и бора (БФТ-1)

Г

1

на структуру и свойства комплексно-легированных белых чугунов, определены их необходимые количества, обеспечивающие измельчение литой структуры (эвтек-тик, карбидной фазы, дендритов аустенита и феррита), что существенно улучшает свойства литого металла. На основании данных исследований составлен новый ра-финируюше-модифицирующий комплекс (Са,5г)С03 + БФТ-1.

2. На основе полученных адекватных математических зависимостей, описывающих взаимосвязь между количеством вводимых материалов, механическими и специальными свойствами исследуемых чугунов, рассчитаны весовые коэффициенты влияния данных добавок, которые позволяют выбирать количество той или иной добавки с целью получения требуемых свойств.

3. Показаны изменения в строении и количестве эвтектик, карбидной фазы и металлической матрицы, происходящие в зависимости от условий охлаждения отливок в различных литейных формах после обработки расплавов чугунов рафини-рующе-модифицирующими добавками и ТВО, что позволяет прогнозировать структуру и свойства отливок.

4. Изучено влияние ТВО на структуру и свойства отливок из чугуна ИЧХ28Н2. Определен рациональный режим обработки расплава, обеспечивающий получение наибольших показателей механических и специальных свойств.

5. Установлено, что рафинирование и модифицирование чугунов (Са,8г)С03 и БФТ-1 снижает скорость усадки отливок в начальный период, что уменьшает внутренние напряжения, возникающие в процессе затвердевания и охлаждения отливок и, как следствие, позволяет уменьшить в них количество холодных и горячих трещин.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований по влиянию рафинирующе-модифицирующих добавок и скорости охлаждения на структуру, механические, специальные и литейные свойства КЛБЧ и отливок из них.

2. Результаты экспериментальных исследований по совместному влиянии: (Са,5г)С03, БФТ-1 и ТВО на структуру, механические, специальные и литейны« свойства КЛБЧ и отливок из них.

3. Новый состав рафинирующе-модифицирующего комплекса.

Практическая ценность работы

1. Разработан новый рафинирующе-модифицирующий комплекс (Са,8г)СОз, БФТ-1 для отливок специального назначения, обеспечивающий их вы сокую эксплуатационную стойкость.

2. Установленные закономерности влияния рафинирующе модифицирующих материалов и типа литейной формы позволяют прогнозировав конечную структуру и свойства отливок из КЛБЧ.

3. Разработаны технологические рекомендации по обработке КЛБЧ рафини рующе-модифицирующими материалами - кальций-стронциевым карбонатом, бо ром, силикокальцием, БФТ-1, ТВО.

Реализация результатов работы. В отделении мелкого литья ОАО «Бай-макский литейно-механический завод» была отлита опытная партия рабочих колес марки 8ГРК8 в количестве 10 шт.

Промышленные испытания в условиях ОАО «Учалинский ГОК» опытной партии рабочих колес насосов 8ГРК8 показали увеличение их стойкости в 1,2-1,4 раза по сравнению с аналогичными деталями из не модифицированного чугуна ИЧХ28Н2.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 международных и Российских научно-технических конференциях: г. Липецк (2007 г.), Магнитогорск (2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Уфа (2009 г.), Санкт-Петербург (2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 статей и тезисов докладов, 3 из которых в изданиях перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 101 наименований. Она изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 50 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, представлена научная новизна, практическая ценность работы и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ способов модифицирования белых износостойких чугунов. В работах Н.С. Крещановского, Я.Е. Гольдштейна, Б.Б. Гуляева, В.М. Колокольцева, В.Г. Мизина, В.И. Никитина, Ри Хосена, А. Н. Бестужева, П.С. Попеля, Е.В. Рожковой, М.Е.Гарбера, И.И. Цыпина и др. отмечено, что наиболее сильное воздействие оказывает примесное модифицирование и достаточно перспективна термовременная обработка расплавов чугунов.

Примесное модифицирование потенциально является наиболее экономичным и высокоэффективным методом воздействия на формирование литой структуры отливок и придания металлу повышенных технологических и эксплуатационных свойств. Примесное модифицирование подходит для всех видов литья.

В настоящее время термовременная обработка КЛБЧ почти не используется ввиду ее слабой изученности и недостаточной разработки процесса. Поэтому остается не раскрытым вопрос влияния выдержки расплава при различных температурах и времени, а также влияния полученных при этом структур на свойства КЛБЧ.

На основе литературных данных выполнен анализ существующих видов примесного модифицирования сплавов, применяемых для изготовления литых изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания. Показано влияние примесного модифицирования и термовременной обработки на структуру и свойства белых чугунов. На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны материалы и методики исследования.

Исследования проводили на комплексно-легированных белых чугунах -

ИЧ220Х18Г4НТ ИЧ270Х24НТБР, ИЧХ28Н2. Выплавку опытных чугунов осуществляли в индукционных тигельных печах с основной футеровкой емкостью 2, 15, 60 кг По окончании выплавки проводили раскисление расплава, после чего осуществляли обработку рафинирующе - модифицирующими материалами (Са,Ьг)С03,

ФБ20, СК30, БФТ-1.

Сравнительные испытания на износостойкость сплавов при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы проводили на лабораторной установке по методике регламентированной ГОСТ 23.208-79. Относительную износостойкость определяли по отношению потери массы эталонного образца к потере массы исследуемого образца.

Оценку ударно-абразивной износостойкости металлов и сплавов проводили согласно ГОСТ 23.207 - 79 «Метод испытаний машиностроительных материалов на

удапно-абразивное изнашивание».

Исследование влияния рафинируюше-модифицируюших материалов на кристаллизацию КЛБЧ проводили с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) ЛА-50 USB.

Жидкотекучесть чугунов определяли при помощи пробы со спиральным каналом по ГОСТ 16438-84. Линейную усадку определяли как разность размеров формы (модели отливки) и отливки после ее полного охлаждения.

Металлографические исследования микроструктуры сплавов проводили н; оптических микроскопах при увеличении от 100 до 1000 крат. Количественный ме^ таллографический анализ проводили при помощи анализатора изображена

Tixomet главе приведень| результаты исследований по выбору элементо

паскислителей и модификаторов для рафинируюше-модифицирующих комплексов Показано преимущество комплексного раскисления, рафинирования и модифици

Р0ВаНИНа основе проведенного анализа выделены следующие группы элементоЕ эффективно воздействующих на процессы раскисления, десульфурации, нитриде образования и модифицирования КЛБЧ:

1) Раскислители:

основные: Са;

вспомогательные: Al, V, Nb, Y, Mn, La, Се.

2) Десульфураторы:

основные: Mn, Са, Mg, Ва; вспомогательные: Y, Се, La.

3) Нитридообразующие:

основные: Al, V, Ti, Zr; вспомогательные: В, Nb, Та.

4) Модификаторы:

инокуляторы: Са, Ti, Zr, Се; ингибиторы: В, La, Се, Y, Nd, Cd;

инверсоры: М§, Са, Т1, У, Zv, Се, Ва.

Используя различные комбинации элементов, можно для каждой марки сплава выбрать оптимальный комплекс, благоприятно воздействующий на свойства в результате процессов раскисления, нитридообразования, десульфурации, модифицирования.

Проведен термодинамический анализ влияния выбранных элементов на активность кислорода, серы и азота в расплавах КЛБЧ. В качестве критерия оценки термодинамической активности алюминия, титана, бора и кальция по отношению к кислороду, сере и азоту взяты коэффициенты их активности при различном содержании раскислителей и модификаторов.

Исследования показали, что в первую очередь в расплавах КЛБЧ вводимые элементы будут связывать кислород, затем серу и, в последнюю очередь, азот. В общем виде элементы по активности можно расположить в следующий возрастающий ряд:

• к кислороду - ТЧ - А1 - В - Са;

• к сере - В - А1 -14 — Са;

• к азоту - В - А1 - Ть

Для ввода выбранных активных элементов было принято решение использовать следующие материалы:

> силикокальций (СК20);

> кальций-стронциевый карбонат ((Са,5г)С03);

> ферробор (ФБ20);

> лигатура на основе титана и бора (БФТ-1).

В четвертой главе показано влияние кальций-стронциевого карбоната, бора, кальция, модификатора на основе титана и бора на параметры кристаллизации КЛБЧ. При вводе исследуемых активных элементов происходит сужение интервала между ликвидусом и солидусом, вследствие чего сплавы приближаются к эвтектическим, их структура измельчается, что положительно сказывается как на механических, так и специальных свойствах. Однако характер данных изменений различен.

Исследовано влияние (Са,8г)С03 на структуру и свойства чугунов ИЧХ28Н2, ИЧ270Х24НТБР, ИЧ220Х18Г4НТ. Количество добавки в опытных плавках составите 1, 3, 5, 6, 7 и 9 кг/т.

Обработка чугунов карбонатом приводит к увеличению как механических, так и специальных свойств (рис. 1). Максимальные показатели свойств наблюдаются при добавлении карбоната до 5 кг/т - для чугунов ИЧ220Х18Г4НТ и ИЧ270Х24НТБР, а для чугуна ИЧХ28Н2 - до 6 кг/т.

Существенно измельчается дендритная структура, снижается загрязненность сплавов неметаллическими включениями, особенно сульфидными, уменьшается их размер, форма приближается к глобулярной. Полученные результаты показывают, что наибольшее влияние кальций-стронциевый карбонат оказывает на КЛБЧ аусте-нитного и аустенито-феритного классов (ИЧ220Х18Г4НТ, ИЧ270Х24НТБР) и менее значительное - мартенсито-аустенитного (ИЧХ28Н2) класса.

0123456789 0 1--

Количесгео (Са,5г)С03, кг/т Количество (Са,5г)С03 кг/т

Рис. 1. Влияние (Са,5г)С03 на свойства чугунов: 1- ИЧ220Х18Г4НТ;

2- ИЧХ28Н2; 3- ИЧ270Х24НТБР, залитых в сырую Г1ГФ Исследовано влияния бора на свойства чугунов ИЧХ28Н2, ИЧ220Х18Г4НТ. В исследуемых чугунах содержание бора составляло: 0,005; 0,01; 0,02; 0,03 %.

Обработка чугунов бором повышает весь комплекс свойств. Максимальные показатели свойств наблюдаются при добавлении бора для ИЧ220Х18Г4НТ- 0,02 %, а для ИЧХ28Н2 - 0,01 % (рис. 2). Это можно объяснить тем, что при таком количестве бора он действует как добавка, рафинирующая и модифицирующая чугун.

Бор при введении его в расплав адсорбируется на поверхности растущих кристаллитов, затрудняя их рост, и тем самым, снижая тепловыделение при кристаллизации, вызывает увеличение переохлаждения. Это способствует увеличению дисперсности структурных составляющих исследуемых сплавов.

0,01 0,02 Содержание бора, %

0,03

0,01 0,02 Содержание бора, %

0,03

Рис. 2. Влияние бора на свойства чугунов: 1- ИЧ220Х18Г4НТ; 2- ИЧХ28Н2, залитых в сырую ПГФ Исследовано влияния кальция на свойства чугуна ИЧ220Х18Г4НТ. Количество СК20 определялось исходя из остаточного содержания кальция: 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025 %.

Максимальные показатели свойств наблюдаются при добавлении силико-кальция в количестве 6,6 кг/т (Ки = 1,85 ед., НЯС = 46,5 ед., Дт = 0,029 г/м2ч, Ь = 0,24 %). Такое благоприятное действие основывается на его способности оказывать влияние на тип и распределение неметаллических включений, микроструктуру чугуна, а также на высоком сродстве кальция к кислороду и сере.

Остаточное содержание серы после обработки сплава силикокальцием в количестве 6,6 кг/т составило 0,01 %, по сравнению с исходным 0,026%. Оксиды и сульфиды кальция имеют низкую плотность, легко всплывают и переходят в шлак. При этом происходит заметное повышение твердости и износостойкости образцов до количества добавки соответствующей оптимальной.

Исследовано влияния модификатора БФТ-1 на свойства чугуна ИЧХ28Н2. Количество БФТ-1 в опытных плавках составило 1, 3, 5, 7,и 9 кг/т. При обработке расплавов БФТ-1 до 5 кг/т залитых, как в сырую, так и в сухую ПГФ происходит непрерывный рост всех свойств, что соответствует остаточному содержанию бора -0,012%, титана — 0,12%. Наилучшие результаты наблюдаются при заливке расплава в сырую ПГФ (Ки= 1,88 ед., НЯС = 50,5 ед., Дт = 0,016 г/м2ч, Ь = 0,19 %). При расходе БФТ-1 свыше 5 кг/т происходит снижение свойств. При заливке расплавов в кокиль, обработанных БФТ-1 в количестве до 7 кг/т, коэффициент износостойкости Ки, уменьшается.

Наибольшего повышения эксплуатационной стойкости отливок можно добиться путем комплексного модифицирования расплава активными элементами, причем желательно, чтобы они имели различный механизм воздействия на расплав, т.е. были инокуляторамн, ингибиторами и инверсорами.

Таким условиям удовлетворяют, показавшие наилучшие результаты по обработке жидких расплавов КЛБЧ, модификатор БФТ-1, а также из материалов содержащих щелочно-земельные элементы - кальций-стронциевый карбонат.

Исследование влияния комплексного модифицирования проводили на чугуне ИЧХ28Н2. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства чугуна изучали на образцах, залитых в сухие и сырые песчано-глинистые формы и кокиль.

Для этого был спланирован и проведен рототабельный эксперимент, где в качестве ядра плана - полный факторный эксперимент типа 22, при следующем изменении факторов, кг/т: X, ((Са,5г)С03, 3; 5); X, (БФТ-1, 2; 4), а также постановка дополнительных опытов в «звездных» точках и в центре плана этого ядра.

В результате обработки рототабельного эксперимента получены адекватные математические зависимости свойств экспериментальных сплавов от количеств введенных модификаторов. В частности, для сухой ПГФ они имеют вид:

Кисух= 1,901+ 0,065*Х|+0,084 *Х2 +0,0106*Х2 - 0,0265 * Х,*Х2, ед\ (1)

АгпСух = 0,0184 + 0,01 *Х, + 0,006*Х2 - 0,0023*Х ], г/лЛг, (2)

Ьсух= 0,216 + 0,008*Х, +0,01*Х2 - 0,007*Х2,%. (3)

Используя полученные математические зависимости и нейросетевую программу «Модель», были определены весовые коэффициенты и ряды влияния модификаторов на свойства чугуна.

По силе влияния на износостойкость (а), твердость (б), окалиностойкость (в) и ростоустойчивость (г) чугунов добавки можно расположить в следующие ряды, в порядке уменьшения:

ПГФ сухая ПГФ сырая кокиль

а) БФТ-1 —> (Са,Бг)СОз

б) БФТ-1 -> (Са,Бг)СОз

в) (Са,8г)С03 БФТ-1

БФТ-1 (Са,8г)С03; БФТ-1 -> (Са,8г)С03; БФТ-1 -> (Са,8г)С03; БФТ-1 -> (Са,8г)С03; (Са,8г)С03 БФТ-1; (Са,8г)С03 БФТ-1.

г) БФТ-1 (Са,8г)С03. БФТ-1 -> (Са,8г)СОэ.

Наибольшее влияние на твердость, износостойкость и ростоустойчивость сплавов оказывает БФТ-1. Это можно объяснить наличием карбидов и диборидов титана в сплаве, имеющих высокие показатели микротвердости, что способствует увеличению износостойкости и твердости, а также жаропрочные свойства, способствующие стабилизации структуры, что влечет повышение ростоустойчивости.

Наибольшее влияние на окалиностойкость оказывает кальций-стронциевый карбонат, что объясняется повышением сопротивляемости окислению матрицы чугунов благодаря высокой рафинирующей способности карбоната и, что более важно, образованию на поверхности отливок оксидной пленка хромата стронция (8гСЮ4), имеющей высокую плотность и прочное сцепление с металлической основой.

С увеличением скорости охлаждения сплавов происходит измельчение карбидов и эвтектики. Это приводит к увеличению твердости и снижению износостойкости чугунов. Максимальной износостойкостью обладают чугуны, залитые в сухую ПГФ, где обеспечиваются оптимальные значения микротвердости металлической основы и карбидов, их соотношение и количество. Меньшей износостойкостью обладают чугуны, залитые в кокиль, в них образуется большое количество мелких карбидов, которые не имеют прочного сцепления с основой и при изнашивании выкрашиваются, что приводит к снижению износостойкости.

Падение окалиностойкости с увеличением скорости охлаждения связано с увеличением количества эвтектики, что приводит к обеднение твердого раствора хромом. Кроме того, увеличивается межзеренная поверхность, которая обогащается легкоплавкими составляющими и более загрязнена.

При анализе влияния модификаторов на свойства прослеживается тенденция изменения их воздействия на свойства чугуна в зависимости от типа литейной формы. С увеличением скорости охлаждения влияние карбоната на твердость, износостойкость и ростоустойчивость уменьшается, а модификатора БФТ-1 увеличивается. Влияние карбоната на окалиностойкость увеличивается, а БФТ-1 уменьшается.

Используя данные ряды и сопоставляя влияние модифицирующих материалов на структурные составляющие, в зависимости от скорости охлаждения, можно

определять их рациональное содержание для обеспечения требуемых свойств отливок.

Обобщенное влияние рафинирующе-модифицирующих материалов представлено в таблице 1. Выбирая ту или иную добавку и скорость охлаждения, можно достичь требуемого комплекса свойств КЛБЧ для конкретных условий работы отливок.

Таблица 1

Влияние материалов на свойства КЛБЧ *_

Свойство Материал

(Ca,Sr)CQ3 СК20 ФБ20 БФТ-1

Тип формы

сух сыр кок сух сыр кок сух сыр кок сух сыр кок

Ки ++ ++ ++ + + + ++ ++ ++ ++ ++ -

HRC + + + + + + ++ ++ ++ + + +

Дт ++ -н- ++ + + + + + + + + +

L + + + + + + + + + ++ ++ ++

* + - слабо увеличивает свойство, ++ - сильно увеличивает свойство, - - уменьшает свойство.

Проведены исследования по влиянию термовременной обработки расплава чугуна ИЧХ28Н2 (рис. 3). Выдержку расплава осуществляли при его перегреве над температурой ликвидус на 100, 150, 200, 250 и 350 °С. Учитывая массу садки печи, продолжительность выдержки расплава при заданной температуре, составила 3 минуты. После расплавления чугун нагревали до заданной температуры, проводили выдержку, после чего расплав охлаждали и заливали в сухую, сырую ПГФ и кокиль.

1300 1400 1500 1600 1700 1300 1400 1500 1600 1700

Температура выдержки, 'С Температура выдержки, 'С

Рис. 3. Влияние ТВО на свойства чугуна ИЧХ28Н2, залитого в сухую ПГФ

Анализ полученных результатов показал, что наибольшей абразивной и уда-ро-абразивной износостойкостью обладает сплав, выдержанный при температуре 1420 °С. Максимальная абразивная износостойкость получена при заливке расплава

в сухую ПГФ. При этом, с увеличением теплоаккумулирующей способности формы, Ки снижается. Наибольший Киудабр получен при заливке расплава в сырую ПГФ. Твердость образцов незначительно снизилась. Жаростойкость также понизилась. С повышением температуры выдержки расплава до температуры 1620 °С показатели окалиностойкости и ростоустойчивости чугуна повышаются.

Количественный анализ карбидов хрома показал, что при повышении температуры выдержки при ТВО чугунов, залитых в формы с различной теплоаккумулирующей способностью, происходит увеличение объемной доли карбидов хрома с площадью менее 10 мкм2 и в интервале 10<А<20 мкм2, с одновременным уменьшением доли карбидов с площадью >20 мкм2 (рис. 4).

1350

1400

1450 1500 1550

1600

1650

Температура выдержки, 'С

Рис. 4. Влияние ТВО на объемную долю карбидов хрома чугуна ИЧХ28Н2, залитого в сырую ПГФ

Установлено взаимное влияние теплоаккумулирующей способности формы и температуры выдержки на структуру и свойства чугуна. С повышением теплоаккумулирующей способности формы повышается степень влияния температуры выдержки. Наибольшее влияние температура выдержки оказывает на расплавы залитые в кокиль, где происходит значительное увеличение доли карбидов площадью менее 10 мкм2 и уменьшение доли крупных карбидов площадью более 20 мкм2.

С повышением температуры выдержки происходит изменение формы карбидов (рис. 5). Карбиды становятся более округлыми и равномерно распределены по объему. Это отражается на микротвердости структурных составляющих. Под влиянием ТВО происходит уменьшение микротвердости основы и эвтектики, и заметное повышение микротвердости (с 1587 до 2040 HV) отдельных карбидов хрома, Такая тенденция наблюдается до температуры выдержки 1520 "С. Это связано с изменением химического состава карбидов, вследствие обеднения основы хромом и насыщение им карбидов. Дальнейшее повышение температуры (1620 °С) приводит к росту микротвердости основы и эвтектики, и снижению микротвердости карбидов хрома.

■ж

ШШШШШШШШ

*500 х500 х500

а) б) в)

Рис. 5. Микроструктура чугуна ИЧХ28Н2 после термовременной обработки при температуре выдержки: 1370 (а); 1470(6); 1620 (в) °С

В пятой главе исследовано совместное влияние термовременной обработки и примесного модифицирования. На основе ранее проведенных исследований были выбраны режимы ТВО и количества рафинирующе-модифицируюших материалов (Са,8г)СОэ и БФТ-1, указанные ниже.

После расплавления проводили нагрев расплава до нужной температуры (1420, 1470 и 1620 °С) с последующей выдержкой в течение 3 минут, после чего расплав охлаждали до температуры заливки, вводили карбонат, а затем лигатуру в количествах 3 и 4 кг/т соответственно. После ввода карбоната и БФТ-1 расплав выдерживали до полного растворения добавок, а затем заливали опытные образцы. Результаты экспериментов представлены на рис. 6.

Термовременная обработка и модифицирование расплава (Са,8г)С03 и БФТ-1 обеспечили повышение всех показателей свойств. Наибольшая абразивная износостойкость соответствует температуре выдержки чугуна при 1470 °С, а ударно-абразивная - при температуре 1420 °С.

0,235

0,205

1400 1450 1500 1550 1600 1650 Температура выдержки, "С

1400 1450 1500 1550 1600 1650 Температура выдержки, 'С Рис. 6. Совместное влияние ТВО и (Са,8г)С03, БФТ-1 на свойства ИЧХ28И2, залитого в сухую ПГФ

Максимальная абразивная износостойкость получена при заливке расплава в сухую ПГФ, при этом с увеличением теплоаккумулирующей способности формы Ки снижается. Наибольший Ки удабр получен при заливке расплава в сырую ПГФ.

Следует отметить, что показатели ударно-абразивной износостойкости снизились по сравнению с показателями, полученными при воздействии на чугун только ТВО. Твердость образцов изменилась в сторону повышения. Жаростойкость также повысилась, и наибольшим показателям окалиностойкости и ростоустойчи-вости образцов соответствуют температура выдержки расплавов 1420 и 1470 °С.

С повышением температуры выдержки происходит увеличение объемной доли карбидов за счет увеличения их числа. При этом размеры карбидов и расстояние между ними уменьшаются. Они более равномерно распределены по объему (рис. 7). Данные изменения отразились на микротвердости структурных составляющих. Под влиянием ТВО и модифицирования происходит повышение микротвердости эвтектики (с 550 до 650 HV) и отдельных карбидов хрома (с 1 106 до 1506 HV) до температуры выдержки 1470 °С, после чего происходит снижение.

Рис. 7. Микроструктура чугуна ИЧХ28Н2 после совместного воздействия ТВО (температура выдержки: а -1=1420 °С; б - 1=1470 °С) и модифицировании разработанным комплексом (сырая ПГФ)

Наибольшая микротвердость карбидов хрома получена при заливки чугуна в сухую ПГФ. С повышением теплоаккумулирующей способности формы значения микротвердости снижаются.

На основе проведенных исследований разработан наиболее рациональный режим: температура выдержки - 1470 °С;

время выдержки - 3 мин.;

количество карбоната - 3 кг/т, лигатуры БФТ-1 - 4 кг/т. Известно, что рафинирование, модифицирование и ТВО существенно влияют на литейные свойства сплавов.

С этой целью были изучены литейные свойства (линейная и литейная усадка, жидкотекучесть, трещиноустойчивость) чугуна ИЧХ28Н2 после его модифицирования разработанным комплексом ((Са,5г)С03, БФТ-1) и ТВО (рис.8, 9, 10).

Рис. 8. Влияние разработанной технологии модифицирования и ТВО на кинетику процесса свободной усадки чугуна ИЧХ28Н2 Наиболее ярко выраженное влияние модифицирование оказывает на кинетику процесса затрудненной усадки, особенно в начальный момент затвердевания отливки. Следствием этого замедления является снижение нарастания напряжений, что положительно влияет на трещиноустойчивость.

Без обоэботки

После модифицирова-

1 1 I

о 500 1000 1500 2000

Время, с

Рис. 9. Влияние разработанной технологии модифицирования на кинетику процесса затрудненной усадки чугуна ИЧХ28Н2 Применение разработанного метода обработки расплава чугуна оказывает положительное влияние на жидкотекучесть. Уменьшение поверхностного натяжения, вязкости металла и уменьшение величины кристаллов, связанное с модифицирующим действием добавок и ТВО расплава, приводит к изменению закономерности кристаллизации при движении в полости канала. Сочетание такого фактора с рафинирующим действием карбоната обеспечило прирост жидкотекучести.

Для изучения влияния рафинирующе-модифицируюших материалов, а также разработанной технологии модифицирования на весь комплекс литейных свойств исследуемых чугунов, применяли комплексную технологическую пробу Нехендзи-Купцова, данные по исследованиям на которой представлены в таблице 2.

750

700 650 > ¿00 ¿550 500 450 400

Без обработки носче обработки послеТВО расплава расплава

|Са£[|С03и6ФТ-1

после приземен»!«

ргиауотэнною гсмллек си-хо метода

Рис. 10. Жидкотекучесть чугуна ИЧХ28Н2 после различных видов обработки

его расплава (Чмл= 1370 °С) При обработке чугунов данными рафинируюше-модифицирующими материалами и ТВО приводит к повышению трещиноустойчивости.

Проведенные исследования показали, что для всех исследуемых чугунов, влияние карбоната на усадку, жидкотекучесть и трещинопоражаемость более значительно, чем силикокальция, бора и БФТ-1, что объясняется высокой рафинирующей способностью карбоната. Однако совместное влияние ТВО, (Са8г)С03 и БФТ-1 на исследуемые литейные свойства показывает наилучшие результаты.

Таблица 2

Литейные свойства чугунов

Сплав Литейные свойства

Усадка £, % Жидкотекучесть /, мм Трещинопоражаемость, мм

АЛтр Абтр Ызтр ЬЬтр

ИЧХ28Н2 1,7 325 - 1,6 - - 1,6

с карбонатом 1,52 340 - 0,9 - - 0,9

с БФТ-1 1,6 305 - 1,2 - - 1,2

ИЧХ28Н2 после применение разработанного метода 1,5 360 - 0,7 - - 0,7

ИЧ220Х18Г4НТ 2,1 220 - 1,55 - - 1,55

с карбонатом 1,86 235 - 0,85 - - 0,85

с бором 1,91 210 - 1,2 - - 1,2

с силикокальцием 1,87 220 - 0,9 - - 0,9

ИЧ270Х24НТБР 1,8 155 - 1,7 - - 1,7

с карбонатом 1,66 166 - 0,85 - - 0,85

с силикокальцием 1,69 162 - 0,9 - - 0,9

Следует отметить, что после обработки чугунов бором и лигатурой БФТ-1 происходит снижение жидкотекучести, что связано с увеличением переохлаждения расплава при кристаллизации, а также наличием в БФТ-1 диборидов и образующихся нитридов и карбидов титана, имеющих угловатую форму, что влечет повышение вязкости расплава.

Опытно-промышленное опробование комплексного рафинирования - модифицирования и ТВО проводили в условиях Баймакского литейно-механического завода при обработке расплавов чугуна ИЧХ28Н2, используемого для изготовления деталей рабочих органов центробежных Песковых, грунтовых, шламовых насосов. Повышение надежности и долговечности рабочих деталей насосов представляет особый интерес вследствие их усиленного износа под воздействием абразивных частиц.

На рис. 11 показано рабочее колесо пескового насоса из чугуна ИЧХ28Н2 после эксплуатации в течение 360 ч на обогатительной фабрике ОАО «Учалинский ГОК».

Рис. 11. Рабочее колесо пескового насоса из чугуна ИЧХ28Н2 после эксплуатации

Для повышения ресурса рабочих деталей насоса была проведена комплексная обработка расплава ИЧХ28Н2 по разработанной технологии. В отделении мелкого литья ОАО «Баймакский литейно-механический завод» была отлита опытная партия рабочих колес марки 8ГРК8 в количестве 10 шт.

Промышленные испытания в условиях ОАО «Учалинский ГОК» опытной партии рабочих колес насосов 8ГРК8 показали увеличение их стойкости в 1,2-1,4 раза по сравнению с аналогичными деталями из не модифицированного чугуна ИЧХ28Н2.

Основные выводы

1. Зависимость жароизносостойкости чугунов от количества вводимых кальций-стронциевого карбоната, силикокальция, ферробора и лигатуры БФТ-1 носит ярко выраженный экстремальный характер с максимумом при строго определенном

количестве вводимой добавки. Количество вводимого карбоната, при котором жа-роизносостойкость чугунов максимальна: для ИЧ220Х18Г4НТ и ИЧ270Х24НТБР составляет 5 кг/т, для ИЧХ28Н2 - 6 кг/т. Количество вводимого бора для ИЧ220Х18Г4НТ составляет 0,02 %, для ИЧХ28Н2 0,01 %. Максимальные показатели свойств чугуна ИЧ220Х18Г4НТ при добавлении силикокальция СК20 соответствуют количеству добавки 6,6 кг/т. Количество БФТ-1, при котором свойства ИЧХ28Н2 наибольшие, составляет 5 кг/т.

2. Обработка расплава чугуна ИЧХ28Н2 одновременно (Са,8г)С03 и БФТ-1 в количествах 3 и 4 кг/т соответственно существенно улучшают жаростойкость и износостойкость, чем при раздельном их использовании.

3. Получены математические зависимости взаимосвязей количеств модификаторов ((Са,8г)С03, БФТ-1), механических и специальных свойств чугуна ИЧХ28Н2, залитых в сырую, сухую песчано-глинистые формы и кокиль. На их основе определенны весовые коэффициенты влияния данных модификаторов на свойства исследуемого чугуна. Установлено различное влияние этих материалов на свойства в зависимости от скорости охлаждения.

4. Термовременная обработка способствует измельчению карбидов, что приводит к повышению абразивной и ударо-абразивной износостойкости чугунов при незначительном понижении жаростойкости. Одновременному повышению всех специальных свойств ТВО не способствует. Наибольшей абразивной и ударо-абразивной износостойкостью обладает сплав, выдержанный при температуре 1420 °С в течение 3 мин.

Установлено взаимное влияние теплоаккумулирующей способности формы и температуры выдержки расплава при ТВО на структуру и свойства чугуна.

5. Совместное влияние ТВО и добавок (Са,Бг)С03 с БФТ-1 на расплав ИЧХ28Н2 обеспечило повышение всех показателей свойств. Наибольший показатель абразивной износостойкости соответствует температуре выдержки чугуна при 1470°С, а ударно-абразивной - при температуре 1420 "С. Причем показатели ударно-абразивной износостойкости снизились по сравнению с показателями, полученными при воздействии на чугун только ТВО. Жаростойкость также повысилась и наибольшим показателям окалиностойкости и ростоустойчивости образцов соответствуют температуры выдержки расплава 1420 - 1470 °С.

6. Одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление данных чугунов изнашиванию, агрессивным средам и высоким температурам является их структурное состояние, которое зависит от взаимного расположения, количественного соотношения и характера связи отдельных составляющих структуры, что, в свою очередь, зависит от вида модификатора, его количества и скорости охлаждения сплава (типа формы). Выбирая тип литейной формы и учитывая толщину стенки отливки, можно регулировать структуру и свойства ЮПБЧ. Это позволяет получать отливки с требуемыми свойствами, учитывающими специфику и условия их эксплуатации.

7. Применение ТВО и разработанного комплекса ((Ca,Sr)C03 и БФТ-I) как раздельно, так и совместно улучшает комплекс литейных свойств ИЧХ28Н2: увеличивает жидкотекучесть, снижает линейную (свободную и затрудненную) усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент; повышает треши-ноустойчивость чугуна.

8. Опытно-промышленное опробование комплексного рафинирования-модифицирования в сочетании с термовременной обработкой показало целесообразность применения разработанной технологии для улучшения свойств отливок из КЛБЧ. Стойкость рабочих колес марки 8ГРК8 повысилась до 40 %, что дает существенный экономический эффект.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рафинирование и модифицирование комплексно-легированных белых чугунов / Колокольцев В.М., Шевченко A.B. // Молодежь. Наука. Будущее. Вып.7.: Сб. науч. тр. студентов / Под. ред. C.B. Пыхтуновой. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2007,-С. 55-58.

2. Улучшение свойств жароизносостойкого чугуна рафинированием и модифицированием / Воронков Б.В., Колокольцев В.М., Шевченко A.B.// Современная металлургия начала нового тысячелетия.: Сб. науч. тр. Часть I. Липецк: ЛГТУ, 2007.- С. 118125.

3. Рафинирование и модифицирование специальных чугунов / Колокольцев В.М., Шевченко A.B., Быков К.В.// Литейные процессы. Вып. 7.: Межрег. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ» 2008.- С. 98-101.

4. Повышение свойств чугунов специального назначения / Колокольцев В.М., Гольцов A.C., Шевченко A.B. // Литейное производство сегодня и завтра: Труды 8-й Всероссийской научно-практической конференции,- СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2010.-С. 159-162.

5. Повышение срока службы деталей из жароизносостойких чугунов / Колокольцев В.М., Гольцов А. С., Шевченко A.B. и др. // Литейщик России. 2009. №6.- С. 9-12.

6. Влияние микролегирования и модифицирования на свойства жароизносостойких чугунов / Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Шевченко A.B., Гольцов A.C. // Труды 9 съезда литейщиков России. Уфа. 2009,- С. 12-15.

7. Модифицирование расплава белого чугуна боридом титана / Колокольцев В.М., Шевченко A.B. // Литейные процессы. Вып. 9.: Межрег. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ» 2010.-с. 208-214.

8. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из чугуна ИЧХ28Н2 путем модифицирования его расплава комплексной лигатурой на основе титана и бора / Колокольцев В.М., Шевченко A.B., Шатохин И.М., Гольцов A.C. // Литейщик России. 2010. №8,-С. 9-12.

9. Повышение свойств отливок из чугунов специального назначения путем рафинирования и модифицирования их расплавов / Колокольцев В.М., Шевченко A.B. // Вестник МГТУ, 2011, №1.- С. 23 - 29.

Подписано в печать 24.08.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 586.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Методы повышения механических, технологических и служебных свойств белых чугунов.

1.1.1. Технологические методы.

1.1.2. Легирование.

1.1.3. Рафинирование и раскисление.

1.1.4. Модифицирование.

1.2. Анализ способов модифицирования.

1.3. Теоретические основы примесного модифицирования.

1.4. Практика рафинирования и модифицирования.

1.4.1. Раскисляющая способность модификаторов.

1.4.1.1. Щелочноземельные металлы.

1.4.1.1.1. Способы введения ЩЗМ в жидкий расплав.

1.4.1.2. Редкоземельные металлы

1.4.2. Модифицирующая способность модификаторов.

1.4.2.1. Щелочноземельные металлы.

1.4.2.2. Борсодержащие добавки.

1.4.2.3. Редкоземельные металлы.

1.5. Пути повышения эффективности модифицирования.

1.6. Влияние модификаторов на литейные свойства.

1.7. Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов.

2.2. Определение износостойкости, жаростойкости, механических и литейных свойств, металлографические исследования.

2.3. Методики построения математических моделей определение коэффициентов влияния модифицирующих добавок.

ГЛАВА 3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

МОДИФИКАТОРОВ.

3.1. Выбор эффективного модифицирующего комплекса.

3.2. Обоснование выбора элементов раскислителей и модификаторов для рафинирующе-модифицирующих комплексов.

3.3. Термодинамический анализ влияния выбранных элементов на активность кислорода, серы и азота в расплавах КЛБЧ.

ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ КОМПЛЕКСНО

ЛЕГИРОВАННЫХ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ИХ РАСПЛАВОВ АКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

4.1. Исследование влияния модифицирования на кристаллизацию белых чугунов.

4.2. Разработка технологических параметров ввода рафинирующе - модифицирующих добавок.

4.3. Повышение свойств комплексно-легированных белых чугунов.

4.3.1. Повышение свойств комплексно-легированных белых чугунов за счет обработки их расплавов кальций-стронциевым карбонатом.

4.3.2. Повышение свойств комплексно-легированных белых чугунов за счет обработки их расплавов ферробором марки ФВ20.

4.3.3. Повышение свойств комплексно-легированных белых чугунов за счет обработки их расплавов силикокальцием марки СК20.

4.3.4. Повышение свойств комплексно-легированных белых: чугунов за счет обработки их расплавов лигатурой БФТ-1.

4.4. Комплексное модифицирование.

4.4.1. Выбор материалов для рафинирующе-модифицирующего комплекса.

4.5. Исследование влияния термовременной обработки на свойства чугуна ИЧХ28Н2.

Выводы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ЛИТЕЙНЫХ, ' МЕХАНИЧЕСКИХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЧУГУНОВ ПОСЛЕ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИХ РАСПЛАВЫ. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

5.1. Совместное влияние термовременной обработки * и примесного модифицирования.'.

5.2. Исследование литейных свойств чугунов после комплексной обработки их расплавов.

5.3. Опытно-промышленное опробование результатов работы.

Важнейшим направлением в решении задачи повышения эксплуатационной стойкости деталей машин в металлургии и литейном производстве, является дальнейшее повышение качества металлопродукции за счет совершенствования существующих и разработки новых прогрессивных марок чугуна. Но не* • обходимо учитывать, что разработка новых составов; чугунов требует, значительных капиталовложений- и сопровождается* сложными: исследованиями- которые: неевсегдашриводят к желаемым- результатам; Дляшногих:деталей?долговечность и надежность,тесно=связана с их износостойкостью,- как! при* нормальных условиях, так и пршповышенных температурах.

Широкое применение- в. промышленности нашли комплекснолегированные белые чугуны (КЛБЧ) для- литых деталей7, работающих в сложных условиях, изнашивания. Целесообразность: их; применения связана, с особенностями строения: микроструктуры, обеспечивающей- оптимальные показатели специальных свойств; Структура таких чугунов соответствует принципу Шарпи, требующему полной? инверсии; расположения-фаз, т.е. чтобы наиболее твердые структурные составляющие залегали; в> виде изолированных друг- от друга включений;. а наиболее вязкие образовывали сплошную? матрицу,, что обеспечивает не только высокие износостойкие свойства, но и прочность, вязкость, стойкость против теплосмени т.д. .

Таким образом, срок службы отливок из КЛБЧ зависит от свойств самого металла, которые определяются структурой. В свою очередь, управлять литой структурой! и свойствами чугунов можно путем изменения химического состава, скорости охлаждения' модифицирования; рафинирования; термовременной и термической- обработками. Повышение свойств отливок из КЛБЧ несомненно является актуальным вопросом.

В качестве базовых в работе были приняты созданные на кафедре "Электрометаллургия и литейное производство" Магнитогорского ГТУ чугуны следующих марок: ИЧ220Х18Г4НТ, ИЧ270Х24НТБР, а также известный высокохромистый чугун ИЧХ28Н2.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение свойств отливок из чугунов специального назначения путем улучшения их первичной литой структуры рафинированием, модифицированием и термовременной обработкой расплавов. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Исследование влияния рафинирования^ и модифицирования^ на особен-ностю формирования структуры и свойств отливок из КЛБЧ в различных- условиях охлаждения;

2. Изучение механизма воздействия рафинирующе-модифицирующих материалов на структуру и свойства КЛБЧ, определение их рационального.'количества и1 температурно-временных параметров процесса для улучшения структуры и свойств отливок.

3: Исследование и?разработка режимов температурно-временной обработки расплавов КЛБЧ:

4. Опытно-промышленные испытания и-внедрение в* производство отливок разработанного рафинирующе-модифицирующего комплекса. •

Научная новизна работы *

1. Изучено влияние кальций-стронциевого карбоната ((Са,8г)СОз), силико-кальция (СК20), ферробора (ФБ20) и модификатора на основе титана и бора (БФТ-1) на структуру и свойства комплексно-легированных белых чугунов, определены их необходимые количества, обеспечивающие измельчение литой структуры (эвтектик, карбидной фазы, дендритов* аустенита и феррита), что существенно ^улучшает свойства литого металла. На основании данных исследований составлен новый рафинирующе-модифицирующий комплекс (Са,8г)С03 + БФТ-1.

2. На основе полученных адекватных математических зависимостей, описывающих взаимосвязь между количеством вводимых материалов, механическими и специальными свойствами исследуемых чугунов, рассчитаны весовые коэффициенты влияния данных добавок, которые позволяют выбирать количество той или иной добавки с целью получения требуемых свойств.

3. Показаны изменения в строении и количестве эвтектик, карбидной фазы и металлической матрицы, происходящие в зависимости от условий охлаждения отливок в различных литейных формах после обработки расплавов чугунов рафинирующе-модифицирующими добавками и ТВО, что позволяет прогнозировать структуру и свойства отливок.,

4. Изучено влияние ТВО? на . структуру и свойства; отливок: из чугуна ИЧХ28Н2. Определен; рациональный режим обработки? расплава; обеспечивающий! получение наибольших: показателей механических и специальных

СВОЙСТВ; . •

5; Установлено; что рафинирование и модифицирование; чугунов (Са,8г)С©3 и БФТ-1 снижает скорость усадки отливок в начальный период, что уменьшает внутренние напряжения,, возникающие в процессе затвердевания*и охлаждения отливок и, как, следствие, позволяет уменьшить в них количество холодных и горячих трещин. . .

На защиту выносятся: .

1. Результаты экспериментальных: исследований по влиянию рафинирую-ще-модифицирующих добавок- и скорости: охлаждения» на структуру, механические, специальные и литейные свойства КЛБЧ и отливок из них.

2. Результаты экспериментальных исследований: по совместному влиянию (Са,8г)СОз, БФТ-1 и ТВО на структуру, механические, специальные и литейные свойства КЛБЧ;и отливок из них.

3. Новый состав рафинирующе-модифицирующего комплекса.

Практическая ценность работы?

1. Разработан новый; рафинирующе-модифицирующий комплекс -(Са,8г)СОз, БФТ-1 для- отливок специального назначения^ обеспечивающий7 их высокую эксплуатационную стойкость.

2. Установленные закономерности влияния рафинирующее - модифици

2. Установленные закономерности влияния рафинирующее - модифицирующих материалов и типа литейной формы позволяют прогнозировать конечную структуру и свойства отливок из КЛБЧ.

3. Разработаны технологические рекомендации по обработке КЛБЧ рафи-нирующе-модифицирующими материалами-кальций-стронциевым карбонатом, бором, силикокальцием, БФТ-1, ТВО.

Реализация результатов работы. В отделении мелкого литья ОАО «Бай-макский литейно-механический завод» была отлита опытная партия1 рабочих колес марки 8ГРК8 в количестве 10 шт:

Промышленные испытания в условиях ОАО «Учалинский ГОК» опытной партии рабочих колес насосов 8ГРК8 показали увеличение их'стойкости в 1,21,4 раза по сравнению с аналогичными деталями из не модифицированного чугуна ИЧХ28Н2.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 международных и Российских научно-технических конференциях: г. Липецк (2007 г.), Магнитогорск (2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Уфа (2009 г.)^ Санкт-Петербург (2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 статей и тезисов докладов, 3 из которых в изданиях перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 101 наименований. Она изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 50 таблиц и проложение.

Общие выводы

1. Совместное влияние термовременной обработки и (Са,8г)СОэ с БФТ-1 на расплав ИЧХ28Н2 обеспечило повышение всех свойств. Наибольший показатель абразивной износостойкости соответствует температуре выдержки чугуна при 1470 °С, а ударно-абразивной - при температуре 1420 °С. Причем показатели ударно-абразивной износостойкости снизились по сравнению показателями, полученными при воздействии на чугун только ТВО: Жаростойкость также повысилась, и наибольшим показателям окалиностойкости и ростоустой-чивости'образцов соответствуют температуры выдержки расплава 1420 -1470 °С.

2. Применение термовременной обработки и разработанного комплекса ((Са,8г)СОз и БФТ-1) как раздельно, так и совместно улучшает комплекс литейных свойств ИЧХ28Н2: увеличивает жидкотекучесть, снижает линейную (свободную и затрудненную) усадку и замедляет интенсивность развития усадки в начальный момент; повышает трещиноустойчивость чугуна.

3. Проведенные исследования» показывают, что для максимального повышения того или; иного свойства целесообразна обработка расплава разными материалами и методами. Так для улучшения:

• абразивной износостойкости - совместное влияние термовременной обработки (температура выдержки чугуна 1=1470 °С, время выдержки1 3 мин) и (Са,8г)СОз с БФТ-1 в количествах 3 и 4 кг/т соответственно;

• ударно-абразивной износостойкости - термовременная обработка (температура выдержки чугуна I =1420 °С, время выдержки 3 мин);

• твердости - комплексная обработка расплава (Са,8г)СОз с БФТ-1 в количествах 3 и 4 кг/т соответственно;

• жаростойкости - комплексная обработка расплава (Са,8г)С03 с БФТ-1 в количествах 3 и 4 кг/т соответственно.

4. Проведенная научно-исследовательская работа и положительные результаты опытно-промышленных испытаний отливок из модифицированного чугуна ИЧХ28Н2 позволяют рекомендовать разработанную технологию изготовления отливок из КЛБЧ.

1. Металлургические аспекты повышения долговечности деталей машин / Я. Е. Гольдштейн, В. А. Гольдштейн. Челябинск.: Металл, 1995. - 512 с.

2. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Пен-кин Н.С., Капралов Е. П., Маляров П.В., и др.- М.:Недра. 1992.-265 с.

3. Александров Н.Н., Клочнев Н.И. Технология получения и свойства жаростойких чугунов. -М.: Машиностроение. 1964. 170с.

4. Рахманкулов1 М:М% Паращенко В.М. Технология литья жаропрочных сплавов.: М.: интермет Инжиниринг, 2000. - 464 с.

5. Гурьев А.М. Хараев, Ю.П. Теория и практика получения-литого инструмента. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. - 220 с.

6. Гарбер М.Е. Отливки из износостойких белых чугунов. М.: Машиностроение, 1972.-112 с.

7. Жуков А.А., Сильман Г.И. Фрольцов М.С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. М.; Машиностроение, 1984. -104 с.

8. Цыпин И.И1 Белые износостойкие чугуны. М.'.Металлургия, 1983. -256 с.

9. Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Соловьев.В.П., Цыбров С.В. Специальные чугуньг. Литье, термическая обработка, механические свойства: учеб. пособие / под. ред. В.М: Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 187 с.

10. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. М., Машиностроение, 1976,-216 с.

11. Основные направления совершенствования технологии' выплавки- чугуна и стали / Шварцман Ю.Х., Шкуркин В.И., Галян В.С. // Труды пятого съезда литейщиков России. Москва. Радуница. 2001.- С. 172-176.

12. Александров Н.Н., Клочнев Н.И. Технология получения и* свойства жаростойких чугунов. М.: Машиностроение. 1964. - 170с.

13. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Учебное пособие для вузов. Л., «Машиностроение». 1976.- 216 с.

14. Влияние типа формы на структуру и твердость чугунных валков / Федоренко Е.М., Дробышев А.Н., Протасов Ю.Н. // Металлургия машиностроения. 2004. №2.-С. 9-10.

15. Совершенствование технологии электроплавки высокомарганцовистых износостойких сталей / Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Долгополова Л.Б.и др. // Соврем, проблемы элетрометаллургии стали: Тез. докл. IX междуна-род. конф., Челябинск, 1995. С. 37-38.

16. Совершенствование режимов плавки высокохромистого чугуна и термообработки отливок из него / Колокольцев В.М., Аксенов В.Н., Забелин ХЕР. и др. // Литейное производство, 1994, №3. С. 5-6.

17. Гарбер М.Е. Отливки из износостойких белых чугунов. М.: .Машино-строение, 1972. - Г12 с.

18. Особенности формирования структуры белых чугунов и их классяфикаЦия / Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Воронков.Б.В. // Вестник .УСГТУ им. Г.И. Носова. 2007.- С. 97-105.

19. Кристаллизация из расплавов / Бартел И., Буриг Э., Хайн К., Ку?сарж Л. // Справ, изд. Пер. с нем.- М.: Металлургия, 1987.- 320 с.

20. Связь структуры со свойствами высокохромистых чугунов / О.С. Комаров,

21. В.М. Садовский, Н.И. Урбанович и др. // Металловедение и тер>*ическая обработка металлов, 2003, №7. — С. 20-23.

22. Колокольцев В.М. Выплавка, легирование, модифицирование литейных сталей. Магнитогорск: ПМГР"мини Тип", 1996. - 88с.

23. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов / В.М. Юолоколь-цев, Н.М. Мулявко, К.Н: Вдовин, Е.В. Синицкий / Под ред. проф. 33-М. Ко-локольцева. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 228 с.

24. Молочков П.А. Комплексное воздействие на структуру белых изгз:ососто^" ких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок: Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2004. - 154 с.

25. Петроченко Е.В. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из белых легированных чугунов за счет комплексного воздействия на их структуру. Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2003. - 138 с.

26. В.М.Колокольцев. Легирование и модифицирование литых сталей: Учебное пособие.- Магнитогорск, изд. МГМИ, 1993. 80 с.

27. Бобро Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны. Москва-Киев, Маш. гиз;1960.-170 с.

28. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны. -М.: Металлургия. 1976. -288 с.

29. Ри Э.Х., Колокольцев В.М:, Ри Хосещ Петроченко» Е.В:, Воронков Б .В.

30. Влияние легирующих элементов на структуру и- стойкость высокохромистого чугуна при абразивном изнашивании / Кириевский Б.А., Смолякова Л:Г., Костинская Н.Я. // Литые износостойкие материалы. Киев: ИПЛ А1Г УССР. 1978.-С. 47-53.

31. Влияние легирующих элементов на кристаллизацию, структурообразова-ние и физико-механические свойства белого чугуна / Ри Хосен, Ри Э.Х., Тейх В.А. и др. // Литейное производство, 2000, №10. С. 15-17.

32. Жуков А.А., Сильмаи 1’.И.:, Фрольцов-; М.С. Износостойкие отливки^ изкомплекснолегирова1 шых белых чугунов.- М.: Машиностроение, 1984. 104 . с. •. :

33. Особенности микроструктуры и распределение элементов в комплекснолегированных белых чугунах / Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов, А.А. Жуков и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1983, №1. С. 52-55. .

34. Кристаллизация эвтектик на базе карбидов ниобия и титана / Снаговский Л.М., Снаговский В.М., Таран Ю.Н. // Карбиды и сплавы на их основе-Киев: Наукова думка, 1976. С. 70-73.

35. Влияние V, №>, Та на кристаллизацию и литую структуру хромистых чугунов / Романов Л.М., Козлов Л.Я., Бакаляров В.М // Литейное производство, 1987, №2. С. 8-10: .

36. Борнацкий И.И. Внепечное рафинирование: чугуна и стали. К.:Техника,1979: 168с; .

37. Раскисление и рафинирование высокохромистого чугуна / Тейх В.А., Хо-сен Ри, Литвиненко Л.М., и др. // Литейное производство, 1984', №8: С. Ю-13.

38. Рафинирование чугуна и стали в ковше погружаемой электрической дугой

39. Низяев К.Г., Бойченко Б.М., Стоянов А.11., Душа В.А. // Теория и практика металлургии. 2004; №2.- С. 25-29; • '

40. Поволоцкий Д.Я. Раскисление стали. М.: Металлургия, 1972.- 208 с.

41. Куликов И. С. Раскисление металлов.- М;: Металлургия;Л9751 504'с;.

42. Крещановский Н.С., Сидоренко М.Ф. Модифицирование стали. М., Металлургия, 1970. 296 с. ' V

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

44. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Инокулирование железоуглеродистых сплавов—М.: Металлургия, 1993 . 416 с.

45. О целесообразности модифицирования стали / Шуб Л.Г., Ахмадеев А.Ю. И Металлургия машиностроения, 2006. №5 — С. 38-41. ,45: Активация процессов модифицирования4 металлов и сплавов / Стеценко

46. В.Ю., Марукович Е.И. // Литейное производство. 2006. №11. С. 2-6.

47. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугу-нов / Болдырев Д.А. // Литейное производство. 2006. № 12. — С. 9-13.

48. Повышение свойств железоуглеродистых сплавов модифицированием / Кришталл М.А., Титенский Э.Т., Тейх В.А. // Литейные сплавы. Киев, 1973.- С. 116-119.

49. Улучшение свойств стали 110Г13Л модифицированием / Колокольцев

50. В.М., Миляев А.Ф., Долгополова Л.Б. и др. // Литейное производство, 1990, №9. -С. 7-8.

51. Термовременная обработка жидких сплавов и стали / Баум Б.А., Тягунов Г.В., Барышев Е.В. и др. // Сталь, 1996, №6. С. 16-20.

52. Кристаллизация первичных карбидов; хрома в высокохромистых заэвтек-тических чугуиах / Бестужев А. М., Крутилин А.П, Бестужев Н.И: // Литейное производство; 2006. № 3. —С1 25-28.

53. Влияние вибрации на кристаллизацию стальных отливок / Нурадинов А. С.

54. Труды пятого съезда литейщиков России. Москва: Радуница. 2001.- С. 137- 140. '

55. Обработка чугуна концентрированными потоками энергии / Волков Г.В.,

56. Грабовый В.М., Синчук А.В. // Литейное производство. 1998^ №1. С. 1214. ' . :' '

57. Хорбенко И-Г„ Ультразвук.в машиностроении.Изд.2-е, перераб;^м доп: М:,

58. Машиностроение, 1974. -280 с. '

59. Структурообразование кристаллизующихся систем при модифицировании их ультрадисперсными.порошками / Седельников В.В. // Литейное производство; 2005. № 1. С. 2-5.

60. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок / Хрычников В;Е.,.КалинитВ~Т., Кривощеев ВА., Доценко Ю;В., Селиверстов В;Ю!//Литейное производство;. 2007. №7.—С. 2-5.

61. Никитин В.И., Никитин К.В. Наследственность в литых сплавах. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение -1, 2005.- 476 с. ,

62. Труды международного научно-технического симпозиума (г. Самара).2008. 343 с. .

63. Тенденции развития модификаторов для чугуна и стали / Давыдов С.В., Панов А.Г. // Заготовительные производства в машиностроении. 2007.№2.-С. 3-11.

64. О критериальной оценке эффективности модификаторов при обработки чугунов / Калинин В.Т., Хрычиков В.Е., Кривошеев В.А. // Теория и практика металлургии. 2004. №2.- С. 25-29.

65. Использование кальцийсодержащих комплексных модификаторовь / Воло-щенко М:В>. // Литейное производство. 1998. №11. С. 15-19.

66. Возможность десульфурации чугуна металлическим кальцием / Казаков

67. С.В., Горбовский С.А. // Труды Шестого конгресса сталеплавильщиков, г. Череповец.- М., 2001.- С.431-432.

68. Влияние микролегирования и модифицирования на свойства жароизносостойких чугунов / Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Шевченко А.В., Гольцов А. С. // Труды 9 съезда»литейщиков России.1 Уфа: 2009.'- С. 12-15.

69. Эффективность усвоения магния и десульфурации чугуна в- процессах ковшевого рафинирования / Шевченко А.Ф., Двоскин Б.В1, Курилова Л.П. и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. №4.- С. 12-14.

70. Рафинирование и модифицирование комплексно-легированных белых чу' гунов / Колокольцев В.М., Шевченко А.В. // Молодежь. Наука. Будущее.

71. Вып.7.: Сб. науч. тр. студентов / Под. ред. С.В. Пыхтуновой. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2007.- С. 55-58. .

72. Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали. / Под ред. Виноградова

73. С. М. М.: Машиностроение, 1961. - 459 с.

74. Моделирование процесса десульфурации металлического расплава при обработке на высокопрочный чугун с использованием карбонатов щелочноземельных металлов / Леушин И.О., Андреев И.А. // Черные металлы, фев раль 2009.- С. 20-22.

75. Рафинирование и модифицирование специальных чугунов / Колокольцев

76. В:Мі, Шевченко А.В’., Быков К.В.// Литейные: процессы. Вып. 7.: Мёжрег. сб: науч. тр. 2008,- С. 98-101. . , : . . . ;

77. Модифицирование чугуна кальцийсодержащей порошковой проволокой в различных ковшах малой емкости / Бабанин А .Я., Паренчук В.В., Дадонов М.К. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. №1.- С. 32-34.

78. Использование порошковой проволоки с различными наполнителями для внепечной десульфурации чугуна / Кисиленко В.В., Бать С.Ю., Онищук

79. B.П. // Труды Восьмого конгресса сталеплавильщиков (г. Нижний Тагил, 2004)-М.: ОАОч<Черметйнформация». 2005.- С. 436-442.

80. Совершенствование технологии внепечной обработки чугуна парами щелочноземельных материалов / Эссельбах С.Б., Теплицкий Е.Б., Семирягин

81. C.В., Тарусин Ю.Н: // Труды,Пятого конгресса литейщиков. М., 1999.- С. 392-394.

82. Повышение свойств литейных сталей внепечной. обработкой калышй-магниевыми лигатурами, с РЗМ7 Бахметьев В.В., Колокольцев В.М., Миля-ев А.Ф. // Литейное производство. 2006. №11. С. 7-10.

83. Внутриформенное* модифицирование чугуна магниевым* модификатором с лантаном / Болдырев Д.А. // Литейное производство. 2006.- № 5.- С. 10-12.

84. Влияние редкоземельных металлов на параметры кристаллизации1 чугуна для прокатных валков / Иванов Л.X., Хрычиков В.Е. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. №3.- С. 39-43.

85. Жаростойкость, и ростоустойчивость. серого чугуна, модифицированного щелочноземельными и редкоземельными элементами / И.Н. Ганиев, ТА. Ли, А.В. Вахобов, В.И. Асанов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980: № 4.- С. 56-57.

86. Лякишев. ШП., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия^ 1986.-192 с.

87. Влияние микродобавок бора, иттрия и кальция на литую структуру стали 03Х20Н18МЗД2 / Кобулашвили Г.Ш., Окросцваридзе З.Ш., Тавадзе Л.Ф., Бацикадзе ТА. // Литейное производство. 2001. №7. С. 9-12.

88. Рафинирование и модифицирование стали 1 ЮГ 13Л комплексом титан-бор-кальций / Сысоев А.М., Бахметьев В.В., Колокольцев В.М. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. №1.- С. 43-45.

89. Азот и бор в железохромистом сплаве / Гаврилюк В.П., Хаустова Л.В. // Процессы литья, 1993, №3. С. 107-115.

90. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из чугуна ИЧХ28Н2 путем модифицирования его расплава комплексной лигатурой на основе титана и бора / Колокольцев В:М., Шевченко А.В., Шатохин И.М., Гольцов

91. A.С. // Литейщик России. 2010. №8:- С. 9-12.

92. Модифицирование расплава белого чугуна боридом титана' / Колокольцев

93. B.М., Шевченко А.В. // Литейные процессы. Вып: 9.: Межрег. сб. науч. тр. 2010.- С. 208-214.

94. Емелюшин А.Н. Влияние титана и бора на износостойкость чугуна предназначенного-для механической обработки неметаллических материалов инструмента из хромистых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2000, №2.- С. 28-29.

95. Флеминге М.С., Мертон К. Процессы затвердевания. М.: Мир, 1977.- 423 с.

96. Леушин И.О., Ермилин А'.С. Пути повышения эффективности модифицирования // Труды пятого съезда литейщиков России. Москва: Радуница. 2001.- С. 79-81.

97. Архаров В.И., Новохатский И.А. О квазиполикристаллической модели расплавов // II Всесоюз. конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов: Тез. науч. сообщ. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1974.1. C. 52-53.

98. Белай Г. Е., Дембовский В". В:, Соценко-О. В. Организация металлургического эксперимента / Под редакцией В.В. Дембовского.- М.: Металлургия, 1993.-256 с.

99. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1979. - 280 с.

100. Тухватулин И. X. Разработка нового состава стали при помощи нейросете-вого метода: Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2002. - 150 с.

101. Колокольцев В.М. Повышение механических свойств литой хладостойкой стали за счет комплексного воздействия на ее структуру: Дис. канд. техн. наук. Ленинград, 1985. - 212 с.

102. Григорян Б. А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А .Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1979. - 256 с.

103. Электрометаллургия стали и ферросплавов /Д.Я. Поволоцкий, В.Б. Рощии, М.А. Рысс и др. / Под ред. Д.Я. Поволоцкого. М.: Металлургия, 1984. -568 с.

104. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. М.: Металлургия, 1984. - 160 с.

105. Комиссия считает, что новая технология рафинирования-модифицирования и термовременной обработки расплавов белых чугунов является перспективной и рекомендует ее к внедрению в производство.1. В.М. Сулейманов