автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение свойств отливок из металлических сплавов путем модифицирования и микролегирования циркониевыми лигатурами, полученными из бадделеитового концентрата Алгаминского месторождения Дальневосточного региона

На правах'рутиси

Белоус Татьяна Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ И МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ ЦИРКОНИЕВЫМИ ЛИГАТУРАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ИЗ БАДДЕЛЕИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА АЛГАМИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ОКТ 2011

Комсомольск-на-Амуре - 2011

4857401

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Ри Хосен (г. Хабаровск)

кандидат технических наук, доцент Григорьев Владимир Михайлович

(г. Хабаровск)

доктор технических наук, профессор Якимов Виктор Иванович (г. Комсомольск-на-Амуре)

кандидат технических наук, доцент Иваненко Владимир Федорович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «29» октября 2011 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ) по адресу: 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственн ый технический университет».

Автореферат разослан «27» сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Лейзерович Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Полиметаллические руды, имеющиеся на Дальнем Востоке и содержащие широкую номенклатуру химических элементов, могут служить в качестве исходного сырья для получения модификаторов и лигатур с целью повышения механических и других свойств литейных сплавов.

В Хабаровском крае разведано новое месторождение циркониевых руд на реке Алгама в Ая-но-Майском районе. По предварительным оценкам разведанная часть месторождения содержит около 600 млн. тонн. Цирконий является хорошим раскислитепем и может оказывать модифицирующее и легирующее воздействие на литейные сплавы на основе железа, алюминия и меди.

Получение чистого циркония традиционными технологиями весьма сложно и требует больших затрат. Поэтому в чистом виде его использование экономически нецелесообразно для управления структурой и свойствами литейных сплавов.

Новым направлением на пути создания рациональной технологии получения цирконий-содержащих лигатур является совершенствование технологии металлотермического синтеза циркония из бадделеитового концентрата [2\Ог) при электродуговой выплавке.

Применение циркония в качестве легирующего элемента или модификатора имеет большие перспективы для повышения качества и свойств литейных сплавов. Поэтому разработка технологии выплавки новых составов цирконийсодержащих лигатур на основе бадделеитового концентрата Алгаминского месторождения Дальнего Востока является весьма актуальной проблемой для металлургии и литейного производства.

Актуальность темы диссертационной работы также подтверждается выполнением программ Правительства Российской Федерации «Энергосберегающие технологии» № 577 и «Технологические совмещаемые металлургические мини-производства» № 578 от 30 марта 2002 г.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке технологии повышения свойств отливок из сплавов на основе железа, алюминия и меди путем модифицирования и микролегирования циркониевыми лигатурами, синтезированными из бадделеитового концентрата при металлотермии в электродуговой печи, и установлении закономерностей изменения параметров жидкого состояния, процессов кристаллизации и структурообразования, физико-механических свойств циркониевых сплавов с целью управления структурой и свойствами в отливках.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование возможности переработки циркониевого концентрата Алгаминского месторождения в электродуговой печи с целью получения циркониевых сплавов и лигатур.

2. Исследование влияния различных номенклатур восстановителей циркония из его оксидной фазы на степень извлечения циркониевой лигатуры и разработка на этой основе новой технологии ее получения. Исследование технологических свойств и идентификация структурных составляющих циркониевых лигатур методом рентгеноструктурного анализа.

3. Исследование влияния циркониевой лигатуры на параметры жидкого состояния, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства серого чугуна.

4. Выявление закономерностей изменения физико-механических свойств чугуна, отлитого в кокиль, в зависимости от величины добавки циркониевой лигатуры.

5. Исследование влияния циркониевой лигатуры на устранение кромочного отбела в тонкостенных отливках и получение мелкодисперсной перлитной структуры с повышенными свойствами.

6. Исследование влияния циркониевой лигатуры на структурообразование и физико-механические свойства алюминия и его сплава АК5М2.

7. Исследование влияния циркониевой лигатуры на структурообразование и физико-механические свойства меди.

8. Исследование микрораспределения элементов в различных фазах металлических сплавов методом микрорентгеноспектрального анализа.

9. Реализация результатов работы на практике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения циркониевых сплавов на основе бадделеитового концентрата в электродуговой печи при температурах 1500...1650 °С в течение 30...35 мин:

- установлены закономерности изменения степени извлечения циркониевых сплавов и их удельного веса в зависимости от вида и содержания восстановителей (алюминиевая стружка, ферросилиций ФС-45, шлак от плавки алюминия, измельченный графит) из бадделеитового концентрата. С увеличением в шихте наиболее эффективной добавки алюминиевой стружки, ферросилиция ФС-45 и шлака от плавки алюминия степень извлечения циркониевых лигатур возрастает до 35.. .38 %, а удельный вес лигатур уменьшается до 4,7.. .5,8 г/см3:

- полученные циркониевые лигатуры (состав, масс.%: 27...45Zr, 25...35 Si, 0,3...0,5 W; 3...6 AI; 2...5 Мд; 0,1 Са; остальное Fe) имеют температуры кристаллизации 1250...1260 °С и эвтектики - 1100...1160 °С в зависимости от содержания основных компонентов лигатур (Zr.Si.AI, Fe);

- идентифицированы структурные составляющие лигатур (Zr, интерметаллиды - Fe2Zr, Zr2Fe2Si; FeSi) методом рентгеноструктурного анализа.

2. Установлены новые закономерности изменения параметров жидкого состояния (плотность расплава d, степень уплотненения -AJ* и коэффициент термического сжатия а* расплава), процессов кристаллизации и структурообразования чугуна (состав, масс.% 3,14 С; 2,8 Si; 0,41 Мп; 0,07 Р; 0,056 S; 0,11 Сг; 0,12 Ni; 0,05 Ti) в зависимости от величины добавки циркониевой лигатуры до 5,0 масс.% (состав, масс.%: 38 Zr, 34 Si, 11 Fe, остальное - сопутствующие элементы) и дано научное обоснование установленным закономерностям:

- на изотермах плотности (1300...1500°С) можно выделить шесть участков (0..Д1; 0,1...0,6; 0,6...1,0; 1,0...2,0; 2,0....4,0 и 4,0...5,0 % лигатуры), на которых протекают определенные физико-химические процессы, отражающиеся на параметрах жидкого состояния; как правило, между плотностью, степенью уплотнения и коэффициентом термического сжатия расплава существует прямая корреляция;

- установлена связь между параметрами жидкого состояния и процессами кристаллизации и структурообразования циркониевого чугуна; уменьшение параметров жидкого состояния способствует повышению кристаллизационных параметров и измельчению структурных составляющих циркониевых чугунов (дендритов аустенита и графита); исключением является интервал добавок лигатуры от 1,0 до 2,0 масс.% лигатуры.

3. Выявлены закономерности изменения физико-механических свойств чугуна, отлитого в металлическую и песчаную формы (0 20 мм), в зависимости от величины добавок циркониевой лигатуры до 3,0 масс.%:

- твердость чугуна кокильного литья монотонно уменьшается в зависимости от величины добавок лигатуры до 3,0 масс.%: от 225 НВ для немодифицированного до 175 НВ при 3,0 масс.% лигатуры, а предел прочности на разрыв возрастает от 150 МПа для исходного

чугуна до 240 МПа у чугуна с 0,5...1,5 масс,% лигатуры и до 300 МПа при 3,0 масс.% лигатуры (переход марки СЧ15 к марке СЧЗО); плотность чугуна изменяется по экстремальной зависимости с минимумом ее значения при 1,5 масс.% лигатуры (6,75 г/см3), при добавках лигатуры 2,0...3,0 масс.% прочность и плотность чугуна существенно возрастает до 7,0...7,2 г/см3, так как в структуре появляются упрочняющие фазы интерметаллидов типа РехБ^, равномерно распределенные в металлической основе; электросопротивление возрастает от 2,3-Ю-7 в исходном до 2,8-Ю-7 Ом-м при 3,0 масс.% лигатуры;

- при заливке чугуна в песчаные формы предел прочности на разрыв возрастает от 110 МПа до 150 МПа при добавках 0,5...1,5 масс.% лигатуры с последующим его ростом до 210 МПа при 2,5...3,0 масс.% лигатуры; при этом электросопротивление возрастает от 2,75-10-7 до 4,75-10"7 Ом- м при 3,0 масс.% лигатуры;

- основной причиной повышения прочности циркониевого чугуна является измельчение структуры с равномерно распределенной цементитной фазой и интерметаллидами циркония в металлической основе; в изломе образца структура более мелкая и плотная, чем в исходном чугуне.

4. Модифицирование чугуна (состав, масс.%: 3,33 С; 1,69 Э; 0,45 Мп; 0,11 Р; 0,06 Б; 0,1 Сг; 0,1 N1 и остальное Ре) при кокильном литье (012мм) оказывает эффективное влияние на устранение кромочного отбела, получение мелкодисперсной перлитной структуры и графитных включений завихренной формы и повышение физико-механических свойств. Если у исходного чугуна наблюдается сильный отбел кромки на глубину до середины образца, то уже с небольшой добавкой (0,5 масс.%) лигатуры отбеленный слой достигает глубины 0,7 мм, а при добавках 2,5...3,0 масс.% лигатуры кромочный отбел отсутствует.

5. Установлены и научно обоснованы закономерности изменения структуры, газосодержания (Ог) и физико-механических свойств алюминия и его сплава АК5М2 в зависимости от величины добавок циркониевой лигатуры (средний состав, масс.%: 32,251г, 30,7 Бк 8 Ре; остальное сопутствующие элементы):

- модифицирование алюминия резко измельчает структуру уже при добавках 0,1... 1,0 масс.% лигатуры, а затем незначительно укрупняет ее при 15,0 масс.% лигатуры; предел прочности алюминия на разрыв возрастает от 75 МПа в исходном алюминии до 91 МПа в сплаве с 1,0 масс.% и до 123 МПа при добавках 15...30 масс.% лигатуры (состав сплава, масс.%: 1,43 Ъ\ 6,33 й; 0,42 Ре; остальное А1); твердость алюминия возрастает от 23 НВ в исходном до 74 НВ при 30 масс.% лигатуры; микротвердость возрастает от 48 до 118 НУ; плотность возрастает от 2,72 до 2,82 г/см3; содержание кислорода в алюминии уменьшается от 7,74 до 2,75 масс.% при добавке 20 масс.% лигатуры;

- при модифицировании сплава АК5М2 структура измельчается; твердость возрастает от 96 НВ для исходного до 114 НВ в сплаве с 10,5 масс.% лигатуры и остается без изменения до 21,0 масс.% лигатуры; прочность на разрыв увеличивается незначительно от 176 МПа для исходного сплава до 186 МПа в сплаве с 3,5 масс.% лигатуры, а относительное удлинение -от 5,5 % для исходного сплава до 6,75 %; вторичное повышение относительного удлинения наблюдается при 21,0 масс.% лигатуры: сте=186 МПа и 5=8,5 %; происходит одновременное увеличение прочности и пластичности сплава АК5М2;

- цирконий сосредотачивается в алюминии и алюминиевом сплаве АК5М2 во включениях, имеющих точечную форму при малых добавках и пластинчатую форму при больших добавках (более 3,5 масс.%) лигатуры, и представляющих соединения А^Гу или комплексные соединения А1х31уРег; в металлической основе циркония не обнаружено.

6. Выявлены закономерности изменения структуры, газосодержания (02) и физико-механических свойств меди в зависимости от величины добавки циркониевой лигатуры:

- модифицирование катодной меди до 5,0 масс.% лигатуры резко измельчает микроструктуру, а при добавках 10...20 масс.% лигатуры наблюдается незначительное укрупнение структурных составляющих - а-твердого раствора и эвтектики; при 30,0 масс.% лигатуры микроструктура вновь измельчается; при добавках лигатуры от 10 до 30 масс.% в структуре появляются включения интерметаллидов (Fe*SiyZrz,), обладающих высокой микротвердостью (от 463 до 585 Hso);

- легирование меди циркониевой лигатурой повышает ее твердость от 54 до 563 НВ при добавке 30 масс.% лигатуры (состав сплава, масс.%: 1,56 Zr; 6,44 Si; 1,92 Fe; 0,92 Sn; 2,93 W; 1,431 Ir; 0,145 Mn; 0,027 Co; остальное Си); микротвердость твердого раствора возрастает от 104 до 365 Н5о; предел прочности на разрыв повышается от 126 МПа для меди до 382 МПа для сплава с 20,0 масс.% лигатуры (состав сплава, масс.%: 1,32 Zr; 5,28 Si; 1,49 Fe; 1,24 Sn; 1,15 W; 1,45 Ir; 0,112 Mn; 0,026 Co; тотальное Си), а относительное удлинение уменьшается от 4,4 до 1,7 %; модуль упругости увеличивается от 0,456' 105 до 1,974' 105 МПа; плотность меди уменьшается с 8,96 до 8,00 г/см3; содержание кислорода уменьшается от 3,54 масс.% для исходной меди до 1,91 масс.% при добавке 20 масс.% лигатуры

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны технологии получения циркониевых лигатур (патент № 2184791) и их составы (патент № 2201991) из концентрата Алгаминского месторождения Хабаровского края.

2. Выработаны рекомендации по производству алюминиевых и медных сплавов, легированных циркониевыми лигатурами: патент № 2233901 и 2232200 соответственно.

3. По результатам натурных испытаний вагонных тормозных колодок на пассажирском поезде № 661 (сообщения Хабаровск-Чегдомын), производимых на заводе «ЛИТМАШ» (станция Сибирцево Приморский край) и модифицированных циркониевой рудой (бадделеи-том) в количествах 0,15...0,20 масс.% повышает ресурс модифицированных колодок на 58 %, твердости рабочей части на 10,4 % и износостойкости на 20 %. Рекомендовано модифицирование ваграночного чугуна рудной присадкой на заводе «ЛИТМАШ».

4. Для повышения механических свойств ниппеля радиаторов отопления из ковкого чугуна марки КЧ 30-6 предложено модифицирование чугуна циркониевой лигатурой с обеспечением остаточного содержания циркония 0,003 масс.% и алюминия 0,02 масс.%, позволяющее стабильно получать ферритную структуру и механические свойства: ов=400 МПа и 5=10,8 %.

5. Для повышения механических свойств отливок из стали 35Л в сталелитейном цехе завода им. A.M. Горького (г. Хабаровск) предложено модифицирование циркониевой лигатурой (0,1...0,2 масс.%), позволяющее повысить ударную вязкость стали на 73,6 %, твердость на 17 %, микротвердость феррита на 23,4 % и перлита на 55 %.

Реализация результатов работы. Способ получения лигатуры из руды Алгаминского месторождения внедрен на Хабаровском предприятии «Веха». Лигатура внедрена на Хабаровском заводе им. A.M. Горького при производстве стали и опробована на Дальневосточном заводе отопительного оборудования при производстве ковкого чугуна.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном конгрессе «300 лет уральской металлургии. Цветная металлургия - производство меди, никеля, титана и других цветных металлов» (Верхняя Пышма, 2001 г.); X Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2001 г); межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск,

2001 г.); международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов (II Самсоновские чтения)» (Хабаровск, 2002 г.); Второй международной научно-практической конференции (Москва, МГИСиС, 19-21 ноября 2002 г.); Дальневосточном инновационном форуме с международным участием (Хабаровск, 2003 г.); XI Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2004 г.); 44-й Все-рос. науч.-практ. конф. «Современные технологии ж.д. трансп, и пром-сти» (Хабаровск, 2006 г.); региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2006 г.); пятой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2007 г.); девятом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секция технических наук) (Хабаровск, 17 января 2007 г); одиннадцатом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (секция технических наук) (Хабаровск, 21 янв. 2009 г.); XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 15 сент. 2011 г).

Личный вклад автора. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты, полученные автором самостоятельно. При этом автор проводил исследования в лабораторных и промышленных условиях, и ему принадлежат разработки циркониевых лигатур и технологий получения модифицированных сплавов на основе железа, алюминия и меди.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе: в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 4 работы, и 4 патента.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, приложения, изложенных на 197 страницах машинописного текста. Работа содержит 27 рисунков, 40 фотографий, 35 таблиц. Библиографический список включает 158 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе приводится краткая характеристика полезных ископаемых Дальнего Востока, которые могут быть использованы для повышения свойств литейных сплавов. Описаны свойства элемента циркония и его соединений, их влияние на свойства сплавов.

Из литературных данных видны широкие возможности получения циркониевых сплавов, лигатур и модификаторов. Ферросиликоцирконий, получаемый алюмотермическим электропечным способом выплавки, содержит, масс.%: 44,3...54,05 Zr; 23,36...29,9 Si; 2,65...9,4 Al; 11,1...24,43 Fe. На практике получают ферросиликоцирконий (10...40 масс.% Zr и 40...45 масс.% Si) в электропечи, применяя углеродистые восстановители; древесный уголь, антрацит, графит. Силикоцирконий можно получать с использованием в качестве восстановителей алюминия или кремния. Ферроалюминоциркониевую лигатуру выплавляют в электропечах или внепечным алюминотермическим методом. Очевидно, существующие технологии получения циркониевых лигатур обладают рядом недостатков: образование в ванне печи тугоплавких оксидов или карбидов.

Также приведены сведения о положительном влиянии циркония на структурообразова-ние и физико-механические свойства сталей, чугунов, алюминиевых и медных сплавов.

Во второй главе приведен состав циркониевого концентрата, полученного из цирконий-содержащей руды Алгаминского месторождения (табл. 1).

Таблица 1

Состав циркониевого концентрата Алгаминского месторождения, масс.%

ЯОг ТЮ2 А120З Ре20з Ре304 МпО СаО МдО N820 Р2О5 К20 БОг 2Ю2+НЮг С02

20,22 0,04 1,40 0,38 1,67 0,27 4,02 7,35 0,05 0,06 0,50 0,10 49,67 7,07

Руда Алгаминского месторождения является комплексной. Полученный из нее концентрат в основном содержит диоксвд циркония ДОг), оксид кремния (БЮг) и циркон (¡КЮ^, а также соединения кальция, железа, алюминия, вольфрама и гафния, которые входят в состав руды.

Исследование плотности расплава и кристаллизационных параметров производили методом гамма-проникающих излучений на установке «Параболоид-4» и термическим анализом. Методом гидростатического взвешивания определяли плотность сплавов при комнатной температуре. Измерение электросопротивления образцов производили методом зондовых потенциалов на установке «ИМАШ-4». Испытания на прочность производили на разрывной машине УММ-20 и МР-500 (ГОСТ 1497-73); микротвердость на приборе ПМТ-3; твердость на приборе типа ТН 300, ТШ-2М. Структуру изучали на микроскопах ЕС МЕТАМ-РВ21, МБС-9. Фазовый состав определяли с помощью дифрактометра ДРОН-ЗМ. Химический анализ выполняли на спектрометре рентгеновском «Спектроскан-МАКС-6У» по стандартной методике. Микрораспределение элементов выполняли методом микрорентгеноспектрального анализа на установке ^А-8100.

Третья глава диссертации посвящена исследованию и разработке технологии получения циркониевых сплавов из бадделеитового концентрата Алгаминского месторождения методом металлотермии в электродуговой печи собственной конструкции.

Циркониевый концентрат имел следующий состав, масс.%: 36,3 1г; 21,2 Б!; 12,8 Са; 2,53 V/; 2,01 Ре; 1,08 Мд; 0,36 Нд и другие, всего 23 элемента.

Рентгеноструктурным анализом установлено наличие трех основных оксидов: 1чОг (бад-делеит), БЮг (кварц), ггБЮо (циркон).

Исследовано влияние различных восстановителей циркония из его оксидной фазы (ферросилиций ФС-45, алюминий, шлак от плавки алюминия, углерод) на степень извлечения циркониевого сплава (отношение массы получаемого циркониевого сплава к массе шихты), удельный вес сплава, образование различных соединений с цирконием и сопутствующими элементами в структуре циркониевых сплавов.

При использовании данного концентрата плавки вели на шихте, состоящей из циркониевого концентрата, каменной извести и криолита в электродуговой печи.

Сущность предлагаемой технологии выплавки циркониевых сплавов на основе бадделеитового концентрата сводится к наведению шлаковой ванны в электродуговой однофазной печи, загрузке шихты, содержащей циркониевый концентрат и восстановители, проведению окислительно-восстановительного процесса, выдержке расплава до полного выделения газов, момент которого определяется по успокоению ванны.

Ферросилиций марки ФС- 45. Увеличение доли ферросилиция от 15 до 35 масс.% способствует повышению степени извлечения продукции от 9,12 до 37,76 % соответственно. При этом удельный вес уменьшается от 7,56 до 5,30 г/см3. Это обстоятельство обусловлено растворением ферросилиция в расплаве и увеличением содержания кремния в конечном продукте.

Судя по рентгенограммам сплавов, основной структурной составляющей при 15,0 масс.% ФС-45 являются РеБ^ При дальнейшем увеличении до 35,0 масс.% ФС-45 появляются пики, отвечающие ¥ег!(, а пики РеБ1 резко уменьшаются.

Электродуговым способом получены сплавы следующего состава при добавке ФС-45 от 20 до 35 масс.%: 27...45 Я, 25...35 Э!, остальное Ре и сопутствующие элементы.

Алюминий использовали в качестве восстановителя циркония в виде стружки, которая является отходом при механической обработке отливок из силуминов. Количество алюминиевой стружки варьировали от 5,5 до 41 масс.% от массы шихты. С возрастанием содержания алюминия от 5,5 до 41 масс.% в шихте степень извлечения циркониевого сплава повышается от 6 до 35 %, а удельный вес сплава уменьшается от 6,7 до 4,1 г/см3.

Как вццно из рентгенограмм сплавов (рис. 1), с низким содержанием алюминиевой стружки (5,5 масс.%) и высоким содержанием железной окалины (16,5 масс.%) наблюдаются пики, соответствующие РеБ1 В связи с этим, при дальнейшем исследовании содержание железной окалины принято уменьшать до 11 масс.%.

Для шихты с 11 масс.% алюминиевой стружки на рентгенограмме фиксируются пики, соответствующие соединениям Рез2г, 2гРез,зА11,з и РеЭ1. При дальнейшем увеличении алюминиевой стружки до 41 масс.% на рентгенограмме выявлены пики соединений 2гРез,зА!1,з; гггРезБ!; РезА1 и РегИг.

Шлак от плавки алюминия. При введении в шихту 5... 10 масс.% шлака | от плавки алюминия степень извлечения не высока (5,45...9,80 %), плотность полученных сплавов близка к плотности железа (7,298...7,389 г/см3). Доведение количества шлака до 15...25 масс.% ведет к повышению степени извлечения до 23,0...35,8 % с удельным весом соответственно 5,29...4,88 г/см3.

Анализ рентгенограмм показывает, что при 10 масс.% добавки шлака в шихте появляются дополнительно пики, соответствующие ¿ггЭО* При 25%-ной добавке шлака в шихту содержание кремния возрастает до 35 масс.%, циркония до 43 масс.% и железа до 19 масс.%.

Оптимальной добавкой шлака в шихте при получении циркониевого сплава из концентрата можно считать 20...25 масс.% от массы шихты.

Углерод. Был использован измельченный графит в количестве от 5 до 25 масс.%. Установлено, что углетермический процесс восстановления циркония из его оксидной фазы не дает удовлетворительных результатов (степень извлечения 3,5-4,0%, удельный вес 5,41...6,16 г/см3). Пики на рентгенограммах соответствуют соединениям РеБ! и Ре3С. Следовательно, углерод восстанавливает только кремний из оксидной фазы, который взаимодействует с железом, давая соединение РеБ1.

Экспериментально доказана возможность получения комплексно-легированных циркониевых сплавов из нескольких рудных концентратов - бадделеита, шеелитового концентрата и ильменита.

ЛЛ7 ЛЛ7 ; .

11% штчшшешШ стру.м-ки

Ы,. ..С .

1! ^ЧЛк.^ч^1

о 0 22% а помшшсапй стружки

'\jbAv

26 28 30 32 34 3 6 38 40 4 2 44 46 48 50 52 Угол отражения, 2©

Рис. 1. Дифрактограмма циркониевых сплавов с различным количеством алюминиевой стружки в составе шихты

Разработка технологии производства циркониевой лигатуры. В качестве плавильного агрегата для выплавки циркониевых сплавов может быть использована промышленная электродуговая печь. Однако более эффективна однофазная электродуговая печь.

Экспериментально установлен оптимальный состав шихты для получения циркониевого сплава, масс.%: 60...70 циркониевого концентрата, 5...10 алюминиевой стружки, 15...20 шлака от плавки алюминия, 15...25 известняка, 5...15 железной окалины. Связующим веществом для получения окатышей является глина (бентонит) в количестве 3...5 масс.% с добавкой воды в количестве 5...7 масс.%. Данные компоненты смешивают и из полученной массы формируют окатыши диаметром 20...40 мм. После сушки при температуре 200 °С окомко-ванный исходный материал готов к употреблению как рудная добавка. Ее можно использовать для выплавки циркониевых сплавов, а при применении смеси различных концентратов (шеелита и ильменита) - для выплавки комплексно-легированных циркониевых сплавов.

При получении циркониевых сплавов в однофазной электродуговой печи в начальный период наводится жццкая ванна из флюса с добавлением известняка, плавикового шпата и железной окалины (руды). Затем загружается порциями рудная добавка. При этом образуется легкоплавкий шлак, который, разогреваясь до 1350... 1450 °С, создает начальные условия для восстановления элементов из оксидных фаз. В первую очередь идет процесс восстановления железа из окалины: ЗРегОз+2А1=6РеО+АЬОз; ЗРеО+2А1=ЗРе+А1гОз. Температура ванны продолжает повышаться до значений 1650...1700 °С. Активность шлака повышается, происходит частичное восстановление кремния (38Ю2+4А1=ЗЯ+2АЬОз), который растворяясь в железе, постепенно снижает его температуру плавления по мере увеличения содержания кремния до 1200 0 С при концентрации кремния 20 масс.%. Восстановление циркония при алюмотермическом процессе происходит по следующей реакции: ггСЫШ-^г+г/ЗАЬОз. По приведенной реакции, на восстановление циркония из оксидной фазы потребуется большое количество алюминия. Но эксперименты показывают, что процесс получения циркониевого сплава идет с выходом конечной продукции в количестве 20...25 % от общей массы шихты при сравнительно небольших количествах алюминиевой стружки. Вероятнее всего, при плавке в однофазной печи в элекгрошлаковом режиме в жидкой ванне происходит процесс диссоциации молекул оксида циркония (гЮг-^г+чгО2) с образованием атомарного циркония. Роль алюминия и кремния в процессе плавки состоит в связывании кислорода, высвобождающегося при диссоциации диоксида циркония. Кроме того, кремний может образовывать с цирконием соединение типа г^г, на что и указывают результаты рентгеноструктурного анализа. Соединения циркония с алюминием в чистом вцде не обнаруживаются. Поэтому при получении циркониевых сплавов из концентрата в их составе будут присутствовать кремний в виде соединений с цирконием г^г. При наличии в шихте железа в виде ферросилиция или окалины будут образовываться соединения с кремнием (РеБг) и цирконием (Рег2г, Рез2г). Растворяясь в железе, кремнии и цирконий могут образовывать соединения (ггРездАЬ; гг2Рез31).

Наиболее эффективным восстановителем в процессе выплавки циркониевых сплавов является алюминиевая стружка. При содержании алюминиевой стружки 20 масс.% можно исключить ферросилиций и железную окалину. При этом достигается степень извлечения конечного продукта от 23,1 до 35,0 % от общей массы шихты при содержании циркония 27.. .45 %.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию влияния циркониевой лигатуры на процессы кристаллизации, структурообразования и физико-механические свойства литейных сплавов на основе железа, алюминия и меди.

Серый чугун. Исследование проводили на чугуне состава, масс.%: 3,14 С; 2,8 0,41 Мп; 0,07 Р; 0,056 Б; 0,11 Сг; 0,12 № и 0,05 "П. Чугун перегревали до температуры 1600 °С, выдерживали в течение 5 мин, вводили циркониевую лигатуру, после чего расплав охлаждали со

скоростью 20 0С/мин до температуры 550 °С и измеряли плотность (интенсивность гамма-проникающих излучений) расплава с одновременной записью термограммы кристаллизации. Количество циркониевой лигатуры варьировалось до 5,0 масс.% через 0,1 масс.% добавки до 1,0 масс.%, а при больших добавках - через 1,0 масс.% лигатуры.

Для научного обоснования характера изменения кристаллизационных параметров циркониевых чугунов необходимо детально исследовать косвенные параметры жидкого состояния -плотность с/, степень уплотнения -М, и коэффициент термического сжатия расплава а*, как тангенс угла наклона кривой интенсивности и от температуры охлаждения от 14000 С до температуры начала кристаллизации аустенита.

На рис. 2, а и е приведены параметры жидкого состояния чугуна. Как видно, на изотермах плотности (1200...1500 °С) расплавов можно выделить шесть участков, где происходят определенные физико-химические процессы, влияющие на последующие процессы кристаллизации и структурообра-зования, физико-механические свойства чугуна.

Анализируя характер изменения параметров жидкого состояния (с1, -А)ж, аж), процессов кристаллизации и структурооб-разования можно сделать следующие выводы.

1. При вводе небольшой добавки циркониевой лигатуры (0,1 масс.%, первый участок на изотермах плотности) происходит резкое снижение плотности (рис. 2, а) вследствие образования субмикроскопических включений оксидов (АЬОз, БЮг) и сульфида ДО), находящихся в расплаве во взвешенном состоянии и являющихся, по-видимому, потенциальными зародышевыми центрами кристаллизации аустенита и эвтектики, о чем свидетельствует повышение кристаллизационных параметров Ъ, и Ь (рис. 2, б) и продолжительности их кристаллизации тл и тэ (рис. 2, г), а также увеличение степени уплотнения расплава -ДЛР при кристаллизации (рис. 2, г). Температурные интервалы кристаллизации аустенита {\л-1") и эвтектики (г"-^) расширяются. Одновременно с разуплотнением расплава происходит уменьшение значений -Д4, и а*, т.е. расплав подвергается меньшей усадке (рис. 2, е). При этом происходит структурное изменение: исходный чугун имел структуру графита пластинчатой формы, равномерно распределенного по площади шлифа, размерами 90...180 мкм; при ведении 0,1 масс.% лигатуры графитные

о 7 05р

3 7,00г

£ 6 95]

| 6.90]

8 6.05

г. 680

~ 6 751

К 1

4,0,

3.0

2.0 I

4.0

3,0,

Г

1 у у 13

14ШУТ ' ^—\\\

- - "--

ш»"с / \\\

'I " - III И ................ " \

.............±,................_1

• «Ж

И 1/Г

4 / кГ

д

'Л ■ ч

■йЬ

V У

1.0 2,0 3,0 4.0 5 0

Величина добавки циркониевой лигатуры, масс.%

г

с = 0 5

Рис. 2. Зависимость параметров жидкого состояния (-Д^, аж, с)) и кристаллизационных характеристик (и Ь, т„, т3, -А)«?) от величины добавок циркониевой лигатуры

включения резко измельчаются (15...25мкм) и приобретают точечную форму. Количество графитных включений существенно увеличивается.

2. Повышение величины добавки лигатуры до 0,6 масс.% (второй участок на изотермах плотности) приводит к коалесценции (укрупнению) субмикроскопических неметаллических включений и всплыванию их при достижении определенных размеров. Расплав частично очищается от неметаллических включений и его плотность увеличивается. Одновременно с повышением d увеличиваются значения -AJ„, и аж до 0,4 масс.% лигатуры с последующим их уменьшением до 0,6 масс.%.

Значения кристаллизационных параметров (tn, U, т„, тэ, -AJ«P) также изменяются от величины добавки лигатуры по экстремальной зависимости с минимумами их значений при 0,4 масс.% лигатуры (кроме -AJKp). Температурные интервалы кристаллизации аустенита и эвтектики сужаются и уменьшается продолжительность их кристаллизации (т„, тэ) до 0,4 масс.% лигатуры. При этом, не меняясь в размерах графитных включений, их количество уменьшается до 0,4 масс.% лигатуры. Для чугуна с 0,5...0,6 масс.% лигатуры, где наблюдаются максимумы плотности расплава и уменьшение степени уплотнения -AJ* и коэффициента термического сжатия а*, характерно повышение кристаллизационных параметров tn и t3. Температурный интервал кристаллизации аустенита сужается, в соответствии с этим продолжительность его кристаллизации тл и степень уплотнения расплава при кристаллизации -AJkp уменьшаются. Температурный интервал кристаллизации эвтектики расширяется и увеличивается продолжительность ее кристаллизации тэ.

Таким образом, кристаллизационные параметры чугуна (1л и ta), обработанного циркониевой лигатурой в количестве от 0,1 до 0,6 масс.% (второй участок на изотермах плотности), изменяются по экстремальной зависимости с минимумами их значений при 0,4 масс.%, хотя плотность расплава возрастает до 0,6 масс.% лигатуры. Более интенсивно она возрастает при добавках 0,5...0,6 масс.% лигатуры.

Можно предположить, что данное явление аномального изменения кристаллизационных параметров связано с образованием нитридных включений (AIN, ZrN) на поверхности оставшихся субмикроскопических неметаллических включений оксидов (оксинитридов), являющихся центрами кристаллизации аустенита и эвтектики. Предполагается, что нитриды обладают более высокой плотностью, чем оксиды.

3. В интервале добавок лигатуры от 0,6 до 1,0 масс.% (третий участок на изотермах плотности) плотность расплава изменяется по экстремальной зависимости с минимумом ее значения при 0,7 масс.% лигатуры. Значения параметров жидкого состояния -AJ* и аж уменьшаются с последующим их ростом до 1,0 масс.% лигатуры. Значения кристаллизационных параметров tn, ta уменьшаются, а время кристаллизации тл и тэ и степень уплотнения -AJkp при кристаллизации увеличиваются. Наблюдается расширение температурного интервала кристаллизации аустенита и увеличение продолжительности его кристаллизации; температурный интервал кристаллизации эвтектики сужается, а время ее кристаллизации незначительно увеличивается. В интервале добавки лигатуры 0,7... 1,0 масс.% плотность расплава вновь возрастает, а кристаллизационные параметры уменьшаются.

На третьем участке изотерм плотности действие циркониевой лигатуры на плотность расплава весьма сложное по следующим обстоятельствам:

- удаление оксинитридных неметаллических включений вследствие их коалесценции должно способствовать повышению плотности расплава и тормозить процессы графитообразования;

- увеличение содержания кремния, алюминия и циркония должно приводить к разрыхления структуры расплава, вследствие ослабления силы связи между атомами железа, о чем свидетельствует уменьшение температуры кристаллизации железа;

- повышение эвтектичности чугуна под воздействием кремния и алюминия должно способствовать снижению плотности расплава.

Все вышеуказанные обстоятельства приводят к экстремальной зависимости плотности на ее изотермах от величины добавки циркониевой лигатуры.

Увеличение величины добавки до 0,7 масс.% лигатуры способствует вновь кристаллизации переохлажденного графита, такого как при 0,1 ...0,4 масс.% лигатуры.

4. На четвертом участке изотерм плотности (1,0... 2,0 масс.% лигатуры) тенденция разрыхления структуры расплава продолжается в результате повышенного содержания кремния, алюминия и циркония. На этом участке происходят увеличение параметров жидкого состояния -Д^ и аж, уменьшение кристаллизационных параметров Ь, I", ^ и возрастание продолжительности кристаллизации избыточного аустенита вследствие расширения температурного интервала его кристаллизации (1л—I"). Температурный интервал кристаллизации эвтектики (с"—г,) и время ее кристаллизации практически не изменяются. Значения -Д^ возрастают.

5. Некоторое уплотнение расплава на пятом участке изотерм (2,0...4,0 масс.% лигатуры), по-видимому, связано с увеличением содержания железа. Значения кристаллизационных параметров Ь,, I* возрастают, а значения тл и -ДЛР уменьшаются в связи с сужением температурного интервала кристаллизации аустенита.

6. При больших добавках лигатуры (4,0...5,0 масс.% лигатуры, шестой участок на изотермах плотности) плотность расплава катастрофически уменьшается вследствие увеличения эвтектичности чугуна, образования микрогруппировок графита и интерметаллидов, о чем свидетельствуют результаты элементно-фазового и рентгеноструктурного анализов закристаллизованного чугуна.

В интервале добавки лигатуры 4,0...5,0 масс.%, наряду с измельчением графитной эвтектики, в структуре наблюдается небольшое количество графита компактной формы и интер-металлидных включений на базе циркония, алюминия, железа, кремния и других элементов. Металлическая основа чугуна меняется в сторону уменьшения перлита. В исходном чугуне его количество 96 %, в чугуне с 0,1 и 0,2 масс.% добавки лигатуры количество перлита составило 92 %, в чугуне с 0,3...0,6 масс.% лигатуры - 50 % и далее его количество уменьшается до ферритной основы с сеткой переохлажденного графита.

Анализ температуры начала эвтектоидного превращения (а1 показал следующую закономерность. При добавке 0,1 масс.% лигатуры значение 1м резко повышается, а при дальнейшем увеличении добавки лигатуры до 0,5 масс.% - резко уменьшается с последующим ростом ¿1 до 0,8 масс.% лигатуры. Далее намечается тенденция снижения 1а1 до 1,0 масс.% лигатуры. В интервале добавки лигатуры 1,0...2,0 масс.% значение Ь« незначительно возрастает с последующим резким ее ростом до 5,0 масс.% лигатуры.

В работе уточнены механизмы кристаллизации эвтектики и эвтектоида в циркониевых чу-гунах. В отличие от исходного в циркониевых чугунах эвтектическая кристаллизация протекает в интервале температур При этом в начальный момент эвтектическая жидкость кристаллизуется по метастабильной системе (Ж—»А+ЦО, а оставшаяся жидкость - по стабильной (Ж—>А+Г). При дальнейшем охлаждении после завершения эвтектического превращения происходит распад первичного цементита, образовавшегося в начальный момент кри-

сталлизации при г", что свидетельствует о росте интенсивности гамма-проникающих излучений. Эвтектоидная кристаллизация протекает с разуплотнением чугуна.

В работе предложены новые механизмы эвтектического и эвтектоидного превращения в циркониевых чугунах.

Физико-механические свойства циркониевых чугунов. При 0,1 масс.% лигатуры твердость чугуна резко снижается от 196 до 143 НВ. При дальнейшем увеличении добавки до 1,0 масс.% лигатуры твердость возрастает на 50 НВ, а затем она монотонно возрастает до добавки 3,0 масс.% лигатуры. При дальнейшем увеличение добавки до 5,0 масс.% лигатуры твердость резко возрастает до 269 НВ.

Для выяснения причин аномального изменения твердости чугуна от величины добавки лигатуры измеряли микротвердость структурных составляющих перлита (П) и феррита (Ф). Микротвердость перлита и феррита имеет тенденцию повышения до 1,0 масс.% лигатуры, хотя наблюдается большой разброс в значениях микротвердости перлита и твердости в этом интервале добавок лигатуры, как по плотности расплава так и кристаллизационным параметрам. Затем микротвердость перлита и феррита падает до 2,0 масс.% лигатуры с последующим ее ростом перлита до 3,0 масс.% лигатуры и феррита до 5,0 масс.%. При добавках лигатуры 4,0 и 5,0 масс.% металлическая основа полностью ферритизируется.

Также наблюдается аномальный характер изменения плотности при комнатной температуре и электросопротивления. Плотность чугуна при добавке 0,1 масс.% лигатуры резко снижается из-за кристаллизации точечной графитной фазы, а при 0,2 масс.% резко возрастает. Затем плотность уменьшается до 0,8-0,9 масс.% и возрастает до 2,0 масс.% лигатуры с последующим ее плавным уменьшением до 5,0 масс.% лигатуры.

При малых добавках лигатуры (0,1...0,2 масс.%) электросопротивление чугуна резко повышается с последующим его снижением до 0,5 масс.% и резким повышением при 0,6 масс.% лигатуры. От 0,6 до 1,0 масс.% лигатуры электросопротивление вновь резко уменьшается. При больших добавках лигатуры (более 2,0 масс.%) электросопротивление постоянно возрастает до 5,0 масс.% лигатуры, что обусловлено легированием металлической основы компонентами циркониевой лигатуры и кристаллизацией междендритных графитных включений и интерметаллидов. С увеличением общей протяженности границ раздела фаз и возрастанием степени дисперсности металлической основы и графитных включений электросопротивление увеличивается, а плотность чугуна уменьшается. Кроме того, при добавках более 3,0 масс.% лигатуры в чугуне кристаллизуются пластинчатые интерметаллидные включения, микротвердость которых составляет 1845 кг/мм2.

Таким образом, физико-механические свойства изменяются в зависимости от количества циркониевой лигатуры весьма сложным образом. При этом в каждом интервале добавок лигатуры протекают определенные процессы, отвечающие за изменение кристаллизационных параметров, структурообразования и физико-механических свойств чугуна.

Структура и свойства чугуна, модифицированного циркониевой лигатурой, в отливках. Чугун (масс.%: 3,33 С; 0,45 Мп; 1,69 81; 0,11 Р; 0,06 Б; 0,1 Сг; 0,1 остальное Ре) выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 с кислой футеровкой. Циркониевую лигатуру (средний состав, масс.%: 281г, 32 остальное Ре) вводили в расплав при 1500 °С в печи, выдерживали в течение 5 минут и выпускали в ковш. Заливали образцы для механического испытания на разрыв с рабочим сечением диаметром 12 мм и длиной 120 мм в чугунный кокиль. Количество вводимой лигатуры варьировали до 3,0 масс.% с интервалом 0,5 масс.%.

Исследовали структуру и механические свойства чугуна, залитого в кокиль в средней части сечения диаметром 12 мм, а также глубину отбеленного слоя.

Структура исходного чугуна состояла из перлита и ледебуритной эвтектики при кокильном литье. Количество цементита составляло 25 %, расположенного локальными участками. При добавке 0,5 масс.% количество цементита уменьшается и составляет 20 %. Минимальное количество равномерно распределенного в металлической основе цементита наблюдается при вводе 1,0...1,5 масс.% лигатуры (8 %). При добавках 2,0 и 2,5 масс.% лигатуры количество цементита равно соответственно 8 и 10 %. При добавке 3,0 масс.% лигатуры сохраняется такое же количество цементита (8...10 %), равномерно расположенного по полю шлифа. Лучшее распределение це-ментитной фазы наблюдается у чугуна с 1,0.-1,5 масс.% лигатуры.

На основании данных экспериментов можно сделать вывод, что циркониевая лигатура снижает количество цементита в образцах, отлитых в кокиль. В некоторых случаях присутствие цементита в количестве 8...10 % может быть допустимым при условии удовлетворительной обрабатываемости отливок резанием.

Нагляднее кромочный отбел можно оценить при макроанализе изломов образцов, отлитых в кокиль. Исследованы изломы следующих мест: сечение рабочей части диаметром 12 мм, сечение стояка диаметром 26 мм и сечение питателей толщиной 4 мм. В рабочей части образца диаметром 12 мм наблюдается сплошной отбел в исходном чугуне. По мере увеличения добавки лигатуры кромочный отбел уменьшается и при 3,0 масс.% лигатуры кромочный отбел составляет 0,3...0,5 мм.

В сечениях больших размеров (диаметром 26 мм) отбел на глубину 5 мм наблюдается у исходного чугуна и модифицированного 0,5 масс.% лигатуры. Дальнейшее увеличение количества лигатуры более 1,0 масс.% устраняет отбел и микроструктура излома мельче, чем в исходном чугуне. Таким образом, при литье в кокиль модифицирование циркониевой лигатурой в количестве 1,0...3,0 масс.% снижает отбел в отливках кокильного литья, а при определенных толщинах стенок (более 26 мм) отбел исключается полностью.

Механическим испытаниям подвергали литые кокильные образцы диаметрами 12, 18 и 20 мм. Установлено, что твердость чугуна постоянно уменьшается по мере повышения величины добавки лигатуры до 3,0 масс.%, причем с уменьшением диаметра образца абсолютное значение твердости возрастает.

Предел прочности ав существенно повышается от 158 МПа для исходного до 245 МПа при 0,5 масс.% лигатуры, а затем практически не изменяется до 1,5 масс.% с последующим ростом до 3,0 масс.% лигатуры (ов=300 МПа).

Удельное электросопротивление р монотонно возрастает от 2,3-Ю-7 Ом-м для исходного до 2,8-Ю-7 Ом-м при 3,0 масс.% лигатуры, а плотность чугуна изменяется по экстремальной зависимости с минимумом значения при 1,5 масс.% лигатуры. Уменьшение твердости чугуна по мере увеличения добавки лигатуры связано с графитизацией цементита и измельчением графитных включений, а также частичной ферритизацией металлической основы при больших добавках лигатуры (более 2,0 масс.%). Основной причиной повышения прочности циркониевого чугуна является измельчение структуры с равномерным распределением цемен-титной фазы и интерметаллидов циркония компактной формы в металлической основе. При этом в изломе образца структура более мелкая и плотная, чем в исходном чугуне.

Таким образом, модифицирование чугуна при кокильном литье оказывает эффективное влияние на устранение кромочного отбела, получение мелкодисперсной перлитной структуры и графитных включений завихренной формы, повышение прочности.

Алюминий и его сплав АК5М2. Для получения алюминиевого сплава плавку технически чистого первичного алюминия (ГОСТ 11069-2001) вели в индукционной печи ИСТ-0,06 в графитовом тигле. Циркониевую лигатуру смешивали со смесью поваренной соли и криолита в их соотношении 2:1 из расчета 0,1 % к массе лигатуры. Расплав перегревали до температуры 850 °С. Лигатуру вводили в печь в следующих количествах, масс.%: 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 30,0. Интенсивно перемешивали расплав, отливали образцы в металлическую форму при температуре 750...770°С.

Металлографический анализ показал, что при добавке лигатуры 0,1 масс.% (0,0002 масс.% Zr) микроструктура алюминия существенно измельчается. При увеличении величины добавки циркониевой лигатуры до 15 масс.% (1,05 масс.% Zr) особых структурных изменений не наблюдается. Вместе с тем, начиная с добавки лигатуры 10 масс.% (0,7 масс.% Zr), в структуре появляется мелкодисперсная эвтектика с равномерно расположенными по площади шлифа мелкодисперсными включениями циркониевого интерметаллида, обнаруженного при исследовании сплава в отраженных электронах. При дальнейшем увеличении добавки циркониевой лигатуры до 20 масс.% (1,43 масс.%) кристаллы а-твердого раствора приобретают выраженную дендритную структуру и включения интерметаллидов укрупняются.

Физико-механические свойства. Твердость алюминиевого сплава растет от 23 HB в исходном до 74 HB при добавке 30 масс.% лигатуры за счет микролегирования а-твердого раствора и эвтектики (a+Si). По аналогичной зависимости изменяется и микротвердость от 48 до 118 HV. Предел прочности на разрыв а8 и модуль упругости Е сплава также увеличиваются по мере роста добавки циркониевой лигатуры (ств от 75 до 125 МПа и Еот 0,15-Ю2 до 0.75-102 МПа при 20 масс.% лигатуры).

Плотность сплава при комнатной температуре резко возрастает до 10 масс.% лигатуры (0,7 масс.% Zr), с последующим ее уменьшением до 20,0 масс.% лигатуры (1,43 масс.% Zr).

Содержание кремния монотонно возрастает по мере повышения величины добавки циркониевой лигатуры до 30 масс.% (10 масс.% Si).

Таким образом, циркониевая лигатура измельчает микроструктуру, повышает твердость, микротвердость и модуль упругости алюминиевых сплавов.

При оптимальных добавках лигатуры (5,0... 10,0 масс.%) алюминиевые сплавы (силумины) обладает достаточно высокими механическими свойствами: ое=121...123МПа; 5=10,0...14,4 %; \|/=20,0,..29,7 %. Кроме того, при правильном выборе температурных режимов плавки сплава, обеспечивающих получение качественных образцов для испытания механических свойств, можно ожидать получения силумина эвтектического состава с более высокими механическими свойствами.

При модифицировании стандартного алюминиевого сплава марки АК5М2 (масс.%: 1,5...3,5 Си; 4,0...6,0 Si; 0,2...0,4 Mg) с механическими свойствами ав=157МПа и 5=5,5% (ГОСТ 2685-75) циркониевой лигатурой получены следующие результаты. Металл перегревали до температуры 850 °С. Лигатуру в измельченном виде (3,0...5,0 мм) вводили в расплав, выдерживали в течение 15 мин. Одновременно вводили 0,1 масс.% криолита в расплав. Отливали образцы в кокиль для механических испытаний диаметром рабочей части 12 мм. Количество введенной лигатуры варьировалось в следующих пределах: 3,5; 7,0; 10,5; 14,0; 17,5; 21,0 % от массы металла.

Установлено, что микроструктура сплава АК5М2 измельчается до величины добавки 7,0 масс.% лигатуры, дальнейшее увеличение ее приводит к укрупнению структурных со-

ставляющих сплава. Микроструктура сплава состоит из кристаллов а-твердого раствора и эвтектики, а также интерметаллидных соединений циркония.

Твердость литого сплава марки АК5М2 возрастает примерно на 12,5 НВ, а твердость отожженного сплава - на 20 НВ при добавке лигатуры 21,0 масс.%. Увеличение твердости сплава обусловлено дополнительным легированием кремнием, о чем свидетельствует рост микротвердости а-твердого раствора и эвтектики, а также кристаллизацией интерметаллидных соединений циркония.

Прочность на разрыв и относительное удлинение литых образцов изменяются от величины добавки лигатуры по экстремальной зависимости. Максимальные значения механических свойств наблюдаются при 3,5 масс.% (о„=190 МПа, 5=6,8 %) и 21,0 масс.% (св=185 МПа, 6=8,5 %).

Микрорентгеноспектральному анализу подвергались сплавы с добавками циркониевой лигатуры в количестве: 5,10,20 и 30 масс.%.

С увеличением добавки циркониевой лигатуры содержание кислорода в алюминии уменьшается, а концентрация кремния и циркония возрастает. Так например, при добавке лигатуры 5,0 масс.% содержание кислорода уменьшается на 15 %, а при добавке 20,0 масс.% - на 20 %. Соответственно изменяется состав сплава:

- при 5,0 масс.%, масс.%: 0,6 гг; 1,44 и 0,41 Ре.

- при 20,0 масс.%, масс.%: 1,43 Ъ\ 6,33 81 и 0,42 Ре.

В а-твердом растворе железо и цирконий не растворяются. При добавках лигатуры более 5,0 масс.% цирконий концентрируется в мелких включениях компактной формы светлого оттенка, где содержания циркония и кремния изменяются в пределах, масс.%: 40...45 Ъ; 0,31.. .2,43 Эк Эти включения представляют собой соединения АЙГуБк.

В циркониевых соединениях крупного размера содержание циркония соответствует 43,98 масс.%, кремния 6,92 масс.%, железа 3,26 масс.%, остальное алюминий. Можно предположить, что данное соединение представляет собой интерметаллид типа АЙГуБь. С ростом величин добавки лигатуры размеры этих включений увеличиваются. Железо образует соединения А1Рез и сосредотачивается в локальных областях в виде включений.

Таким образом, для повышения механических свойств сплава АК5М2 необходимо модифицирование его циркониевой лигатурой в количестве 3,5 масс.%.

Медь. Медь плавили в индукционной печи ИСТ-0,06. Лигатуру вводили в следующих количествах, масс.%: 1,0; 2,5; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 30,0. Медь перегревали до температуры 1250 °С, вводили лигатуру и тщательно перемешивали до полного растворения в расплаве. Отливали цилиндрические пробы диаметром 20 мм и длиной 260 мм в кокиль.

Металлографический анализ показал, что цирконий резко измельчает структуру меди до величины добавки 5,0 масс.% лигатуры. При дальнейшем увеличении добавки лигатуры до 20 масс.% наблюдается незначительное укрупнение микроструктуры. При добавках лигатуры более 10 масс.% в структуре появляются дисперсные включения темного оттенка, состоящие из отдельных блоков. Данные исследования в отраженных электронах при микро-рентгеноспектральном анализе свидетельствуют о наличии в этих включениях циркония, кремния и железа, которые, вероятно, представляют собой сложные интерметаллидные соединения типа г^уРе*. Микротвердость этих включений составляет от 465 до 584 кг/мм2 (табл. 2). По мере повышения величины добавки лигатуры более 10,0 масс.% наблюдается измельчение интерметаллидных включений.

Как видно, с увеличением добавки лигатуры до 30 масс.% твердость меди возрастает более чем в 10 раз и микротвердость металлической основы в 3,5 раз (табл. 2). Кроме того,

при добавках 10Д..30,0 масс.% лигатуры в структуре сплава образуются циркониевые включения бледно-зеленого цвета, содержащие и другие элементы, вносимые лигатурой. На рост твердости сплава также влияет железо, образующее высокотвердую фазу А1Рез.

Предел прочности ов увеличивается в более чем 3 раза при добавке 20,0 масс.% лигатуры, При 30,0 масс.% лигатуры не удалось получить качественные образцы из-за дефектов усадочного происхождения.

Относительное удлинение и сжатие имеют тенденцию снижения по мере увеличения добавки циркониевой лигатуры. Плотность сплава уменьшается по мере увеличения добавок лигатуры из-за насыщения сплава кремнием. Модуль упругости постоянно возрастает. Также следует отметить, что введение циркониевой лигатуры меняет цвет меди: в начале с красного на желтый при добавках 5...15 масс.%, затем на желто-серый при добавке 20,0 масс.% и на серый - при добавке 30,0 масс.% лигатуры.

Таблица 2

Физико-механические свойства меди обработанной циркониевой лигатурой, в литом состоянии

№ п/п Кол-во введенной лигатуры. % Содержание циркония, масс.% Плотность, г/см3 Твердость НВ Относительное удлинение, % Относительное сужение,% Времен, сопр. разрыву, МПа Модуль упругости 105, МПа Микротвердость, Н50, кГ/мм2

Осн. Вкл.

1 0 0 8,96 54,28 4,4 5,99 126 0,456 104 -

2 1,0 0,0056 9,03985 65,55 4,2 6,31 136 0,887 110 -

3 2,5 0,034 8,86725 76,29 4,6 4,3 103 0,926 115 -

4 5,0 0,13 8,79758 76,29 6,3 5,05 177 1,173 116 -

5 10,0 0,16 8,58869 84,91 5,3 4,01 154 1,469 123 584

6 15,0 0,54 8,45782 113,70 4,4 3,725 238 1,179 142 530

7 20,0 1,32 8,40747 171,50 1,7 1,49 382 1,974 259 533

8 30,0 1,96 8,01183 562,97 - - - 365 465

Таким образом, сплавы меди, полученные при модифицировании ее циркониевой лигатурой, обладают высокими прочностными характеристиками (ав, НВ, Ни), поэтому их можно использовать для изготовления подшипников скольжения.

Микрорентгеноспектральному анализу подвергали сплавы меди с циркониевой лигатурой в количестве: 5, 10, 20 и 30 масс.%. Установлено, что среднее содержание кислорода уменьшается с 3,54 масс.% для меди до 1,96 масс.% при добавке 20,0 масс.% лигатуры, а при добавке 30,0 масс.% лигатуры происходит интенсивное насыщение расплава кислородом до 11,21 масс.%.

По мере повышения величины добавки циркониевой лигатуры наблюдается насыщение структурных составляющих кремнием, железом, цирконием и другими элементами, вносимыми с лигатурой. Так, например, при добавке 20,0 масс.% лигатуры содержание & доходит до 5,28 масс.%; Ре -1,49 масс.%, ЧЧ - 2,15 масс.%; Эп -1,24 масс.%; иг -1,45 масс.%. Содержание циркония соответствует 1,32 масс.%. При этом концентрация кислорода в сплаве уменьшается до 0,191 масс.% при содержании его в исходной меди 3,54 масс.%. При 30,0 масс.% лигатуры расплав насыщается кислородом весьма интенсивно (до 1,121 масс.% Ог).

Установлено, что при 20,0 масс.% добавки лигатуры в металлической основе (в а-твер-дом растворе) растворяются кремнии (3,21...5,12 масс.%), железо (0,38..,0,47 масс.%). Цирконии практически не растворяется в металлической основе.

Цирконий в основном концентрируется во включениях светло-серого цвета в виде скоплений, имеющих следующий состав, масс.%: 5,42...6,99 17,88...21,6 Ре; 41,25—45,27 7г,

13,6...15,85 Ж; 0,46...0,56 "Л; 6,31 ...6,97 УУ; 1,81...8,79 Си; 2,84...2,97 Та; 1,2...1,23 N. По-видимому, эти включения представляют собой комплексно-легированные интерметаллиды типа 2г^г)хРеуМ2, образующиеся с участием элементов Си, Т|, Та, N1

Большая часть циркония концентрируется в центре а-твердого раствора в вцце равномерно распределенных соединений точечной формы белого опенка, имеющих следующий состав, масс.%: 3,91 81; 21,98 Ре; 56,1 Ъ\ 4,65 % 22,4 0,3 И; 4,11 Та; 1,14 N1. Кислород отсутствует.

Аналогичные соединения циркония в виде точечной формы черного цвета наблюдаются в центре дендритов а-твердого раствора следующего состава, масс.%: 9,54 £й; 15,86 Ре; 40,971г, 8,88 иг; 0,34 И; 1,78 \/\/;0,32 А1; 1,25 N1; 5,5 02. Эти включения, вероятно, являются комплексно-легированными интерметаллццами Zr(Jr)xFeyWz с примесными элементами И, Та, №.

Пятая глава посвящена опытно-промышленному опробованию и разработке технологических рекомендаций по применению разработанной циркониевой лигатуры и рудного сырья для легирования с целью повышения эксплуатационных свойств литейных сплавов.

1. В соответствии с ГОСТ 30249-97, ОСТ 32.194-2002 и ТУ 32 ЦТВР-279-88 локомотивные и вагонные тормозные колодки должны иметь структуру П92-96 по ГОСТ 3443-87, выпускаемые на заводах «ЛИТМАШ» (станция Сибирцево Приморского края), Нижнетагильский и Улан-Удэнский. Несмотря на соответствие чугуна сдаточным параметрам, структура чугуна в тепе отливки имеет повышенное содержание феррита, что сказывается на пониженной твердости и на неудовлетворительных показателях износостойкости и срока эксплуатации колодок.

В качестве модификатора использовали рудную присадку. Чугун, выплавляемый в вагранке холодного дутья завода «ЛИТМАШ», обрабатывали присадками, давая их в ковш перед заполнением его жидким металлом. Температура чугуна на желобе составляла 1350...1370 °С. Рудную присадку давали из расчета: 0,05; 0,1; 0,15; и 0,2 масс.%.

Установлено, что в немодифицированном чугуне (масс.%: 2,97 С; 1,61 0,516 Мп; 0,063 Э; 1,23 Р; 0,137 Сг; 0,124 Си) соответствовали твердость наружной (180 НВ) и рабочей (163 НВ) сторонах, величина износа 2,7 г/см2 и нагрузках разрушения на изгиб 2,6 Т. В модифицированных чугунах с добавками рудной присадки 0,05...0,20 масс.% твердость наружной -210 НВ и рабочей - 175-185 НВ сторонах, величина износа 2,1...2,4 г/см2 и нагрузка разрушения - 3,5...4,2 Т. Структура чугуна отвечает требованиям нормативных документов по содержанию перлита и размеру графита.

Натурные сравнительные испытания колодок на пассажирском поезде № 66 сообщением Хабаровск-Чегдомын показали, что ресурс колодок увеличивается от 4500...6000 км до 9000...10000 км пробега, т.е. в среднем на 50 % за счет измельчения графита и повышения доли перлита до 92...96 %.

Таким образом, модифицирование чугуна ваграночной плавки рудной присадкой (гЮг) в количестве 0,15...0,2 масс.% позволяет повысить свойства чугуна вагонных тормозных колодок и увеличить их ресурс.

2. Ниппель радиатора отопления производится из ковкого чугуна КЧ 30-6 (ГОСТ 1215-79). Отливки получают в сырые песчаные формы. Минимальная температура перегрева 1380...1420 °С. Затем производится полный граффитизирующий отжиг (160 НВ).

Проблема завода отопительного оборудования (г. Хабаровск) при производстве ниппелей состоит в нестабильности получения графита компактной формы и обеспечения необходимых свойств, особенно по пластичности (относительное удлинение). Таким образом, целью работы являлось обеспечение стабильности получения структуры ковкого чугуна КЧ 30-6.

Чугун выплавлялся в вагранке холодного дутья. Лигатуру измельчали до размеров 2...7 мм и вводили в ковш емкостью 80 кг при выпуске металла из вагранки. Расплав выдерживали в ковше

3 мин, тщательно перемешивали и производили заливку сырых форм при температурах 1350...1370 °С. Отжиг производили по стандартному режиму: нагрев до 900 °С, выдержка 15...17 часов, охлаждение с печью. Общее время термообработки составляло 36 часов.

Модифицирование чугуна циркониевой лигатурой в количестве 0,003 масс.% (остаточное содержание 0,00011 масс.% Zr) обеспечивает хлопьевидную форму графита и 40...50 % перлита (ств=460 МПа, 5=7,2 %). Увеличение величин добавки лигатуры до 0,05 масс.% (остаточное содержание 0,014 масс.% Zr) не дает структурных изменений по форме графита, но увеличивает долю перлита до 70 % и делает его мельче (ста=520 МПа, 5=7,7 %). Для уменьшения доли перлитной составляющей исследовано совместное действие циркониевой лигатуры (0,003 масс.%) и алюминия (0,02 масс.%). Структура полученного чугуна имела преимущественно ферритную основу (перлита не более 10 %) графит неправильной сфероидальной формы (0В=4О1 МПа; 5=10,8 %). Таким образом, для стабильного получения ковкого чугуна марки КЧ 30-6 рекомендуется модифицирование циркониевой лигатурой в количестве 0,003 масс.% совместно с 0,02 масс.% AI.

3. Технология повышения эксплуатационных свойств сталей путем модифицирования циркониевой лигатурой. Работу выполняли в сталелитейном цехе Хабаровского завода им. A.M. Горького ОАО «Хабсудмаш». Для выплавки стали использовали дуговую сталеплавильную электропечь ДСП-1,5 с кислой футеровкой. Выплавляли сталь 35Л. Лигатуру вводили в разливочный ковш, измельченную до размеров кусков 5...10 мм, в количестве: 0,05; 0,1; 0,2 %. После выдержки 30...40 с металл перемешивали и заливали пробы типа «клин». Заливку производили в сухие песчаные формы стопорным ковшом.

Установлено, что механические свойства стали 35Л повышаются с увеличением количества вводимой циркониевой лигатуры за счет модифицирования:

- исходная деталь: 163 НВ; ударная вязкость 44,1 Дж/см2; микротвердость феррита и перлита соответственно 201 и 267 Н50 (кг/мм2);

- модифицированная 0,1...0,2 масс.% циркониевой лигатурой: 187...195 НВ, ударная вязкость 76,54 Дж/см2; микротвердость феррита и перлита соответственно 245...251 и 339...492 Hso (кг/мм2).

Структура стали феррито-перлитная для исходной стали 35Л. С повышением добавки циркониевой лигатуры в количестве 0,1...0,2 масс.% структура становится мельче и перлит приобретает зернистую форму.

После термообработки (закалка и средний отпуск) состав имел следующие свойства: предел прочности Са=900...1200 МПа; ударная вязкость - 70...120 Дж/см2; твердость-38...42 HRC.

Таким образом, модифицирование стали 35Л циркониевой лигатурой в количестве 0,1 ...0,2 масс.% позволяет повысить ударную вязкость в 1,73 раз и твердость в 1,14 раз и микротвердость феррита и перлита соответственно в 1,25 и 1,84 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа установленных зависимостей повышения степени извлечения циркония (35...38 %) из бадцелеитового концентрата разработана новая технология синтеза циркониевых лигатур (состав, масс.%: 27...45 Zr; 25...35 Si; 0,3...0,5 W; 3...6 AI; 2...5 Mg; 0,1 Ca; остальное Fe) в электрошлаковой и элекгродуговой печах при температурах 1500...1650 °С в течение 30...35 минут, имеющих температуру плавления 1250...1260 °С и плотность 4,7...5,8 г/см3. Идентифицированы структурные составляющие лигатур (Zr, интерметаллиды FejZr; Zr2Fe2Si; FeSi).

2. Установлены новые закономерности изменения параметров жидкого состояния, процессов кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства чугуна в зависимости от величины добавок циркониевой лигатуры (масс.%: 38 Zr; 34 Si; 11 AI; остальное

Fe). Установлена связь между параметрами жидкого состояния расплава, кристаллизации и структурообразования чугуна: уменьшение параметров жидкого состояния (d, -AJ*, а*) способствует росту кристаллизационных параметров (tn, U, тЛ( тэ, -AJKp), измельчению дендритов аустенита (перлита) и графитной эвтектики при добавках лигатуры до 1,0 масс.%. При больших добавках наблюдается обратная зависимость между ними.

3. Модифицирование чугуна (масс.%: 3,33 С; 1,69 Si; 0,45 Мп; 0,11 Р; 0,06 S; 0,1 Сг; 0,1 Ni) при кокильном литье (0 20 мм) циркониевой лигатурой 3,0 масс.% оказывает эффективное влияние на устранение кромочного отбела, получение мелкодисперсной перлитной структуры и графитных включений завихренной формы и повышение физико-механических свойств чугуна. Предел прочности на разрыв возрастает от 150 МПа для исходного чугуна до 240 МПа в чугуне с 0,5... 1,5 масс.% лигатуры и до 300МПа при 3,0масс.% лигатуры (переход от марки СЧ15 к СЧЗО). При этом твердость чугуна уменьшается от 225 НВ для немодифицированного до 175 НВ при 3,0 масс.% лигатуры, а плотность чугуна существенно увеличивается, так как в структуре появляются упрочняющей фазы интерметаллидов типа Fe>SiyZrz, равномерно распределенные в металлической основе. При заливке чугуна в песчаные формы предел прочности на разрыв 0В возрастает от 110 МПа для исходного чугуна до 150 МПа при добавках лигатуры 0,5...1,5 масс.% с последующим его ростом до 210 МПа при 2,5...3,0 масс.% лигатуры. Электросопротивление при этом возрастает от 2,75-107 Ом м до 4,75-Ю"7 Ом м при 3,0 масс.% лигатуры.

4. Установлены закономерности изменения структуры, газосодержания (Оа) и физико-механических свойств алюминия и его сплава АК5М2 в зависимости от величин добавок циркониевой лигатуры. Модифицирование алюминия резко измельчает структуру уже при добавках 0,1... 1,0 масс.% лигатуры. При этом предел прочности на разрыв возрастает от 75 МПа в исходном алюминии до 91 МПа в сплаве с 1,0 масс.% лигатуры и до 123 МПа при добавке 20,0 масс.% (состав сплава, масс.%: 1,43 Zr; 6,33 Si; 0,42 Fe; остальное AI). Твердость алюминия растет от 23 НВ в исходном до 78 НВ при 30,0 масс.% лигатуры; микротвердость возрастает от 45 HV до 65 HV; плотность возрастает от 2,72 для алюминия до 2,85 г/см3 при добавке 30,0 масс.% циркониевой лигатуры. Содержание кислорода в алюминии уменьшается от 7,74 до 2,75 масс.% при добавке 20,0 масс.% лигатуры. При модифицировании алюминиевого сплава АК5М2 структура резко измельчается, твердость возрастает от 96 НВ для исходного до 114 НВ в сплаве с 10,5 масс.% лигатуры и остается практически неизмененной до 21,0 масс.% лигатуры. Предел прочности на разрыв ов незначительно увеличивается от 176 МПа в исходном сплаве до 187 МПа в сплаве с 3,5 масс.%, а относительное удлинение - от 5,5 для исходного сплава до 6,75 %. Вторичное повышение прочности и относительного удлинения наблюдается при 21,0 масс.% лигатуры: аа=180 МПа, 5=8,5 %. Цирконий сосредотачивается в алюминии и сплаве АК5М2 во включениях, имеющих пластинчатую форму и представляющих соединения AlxZry или комплексных соединений AIxSiyFez. В металлической основе циркония не обнаружено.

5. Установлены закономерности изменения структуры, газосодержания (Ог) и физико-механических свойств меди в зависимости от величин добавок циркониевой лигатуры. Лежрова-ние катодной меди лигатурой повышает ее твердость от 54 до 563 НВ при добавке 30 масс.% лигатуры при этом полученный сплав имеет следующий состав, масс.%: 1,56 Zr; 6,44 Si; 1,92 Fe; 0,92 Sn; 2,93 W; 1,431 Jr; остальное Си. Микротвердость а-твердого раствора возрастает от 103 до 365 Н50. При добавках лигатуры от 10 до 30 масс.% в структуре появляются включения интерметаллидов (FexSiyZrz), обладающих высокой микротвердостью (от 465 до 585 Н50). Предел прочности на разрыв повышается от 126 МПа для исходной меди до 382 МПа для сплава с 20,0 масс.%

лигатуры. Полученный сплав имеет следующий химический состав, масс.%: 1,55 Ъ\ 6,8 9; 0,96 Ре; 0,38 Бп; 0,42 Щ 1,45 иг. Относительное удлинение уменьшается от 4,3 до 1,7%, относительное сужение - от 6,0 до 1,49 %; модуль упругости увеличивается от 0,887-Ю5 до 1,974-Ю5 МПа, плотность меди уменьшается от 8,96 до 8,4075 г/см3. Содержание кислорода уменьшается от 3,54 масс.% Ог для меди до 1,91 масс.% при добавке 20,0 масс.% лигатуры.

6. Модифицирование сплава на основе железа (чугуна и стали) существенно повышает эксплуатационные свойства отливок.

Модифицирование ваграночного чугуна для изготовления тормозных колодок, выпускаемых на заводе «ЛИТМАШ» (станция Сибирцево Приморского края), рудной присадкой (циркониевый концентрат, флюсы) в количестве 0,15...0,2 масс.% позволило, при неизменной твердости (163...170 НВ), повысить износостойкость на 20 %, увеличить нагрузку на разрушение при изгибе на 36 % и ресурс тормозных колодок на 50 % за счет измельчения графитных включений и повышения доли перлита до 92...96 %.

Модифицирование ваграночного чугуна для получения ниппелей из ковкого чугуна КЧ30-6 на Хабаровском заводе отопительного оборудования циркониевой лигатурой в количестве 0,003 % (0,00011 масс.% 1г) с добавкой 0,02 масс.% А1 позволило стабильно получать ковкий чугун марки КЧ40-10 за счет получения сфероидальной формы графита отжига и ферритиза-ции металлической основе (10 % П).

Модифицирование стали 35Л в сталелитейном цехе Хабаровского завода им А.М. Горького (ОАО «Хабсудмаш») циркониевой лигатурой в количестве 0,1...0,2 масс.% позволило повысить твердость на 17 %, ударную вязкость на 73 % за счет измельчения структуры и сфероидизации перлита. После термообработки (закалка и отпуск) сталь 35Л имела ств=900...1200МПа, ударная вязкость возросла в 2,15 раза (76,54 Дж/см2), твердость 38.. .42 НЯС.

Основные положения изложены в следующих публикациях:

1. Григорьев, В.М. Влияние циркония на структурообразование и физико-механические свойства чугуна [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус II Литейное производство. - 2002. - № 8. -С. 11-13.

2. Григорьев, В.М. Особенности формирования структуры кокильных отливок при обработке чугуна цирконийсодержащими присадками [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус, Е.М. Баранов II Литейное производство. - 2004. - № 2. - С. 9-13.

3. Белоус, Т.В. Влияние циркониевой лигатуры на процессы кристаллизации серого чугуна и свойства отливок [Текст] / Т.В. Белоус, Хосен Ри II Литейное производство. - 2011. - № 6. - С. 7-10.

4. Григорьев, В.М. Свойства отливок из циркониевых, медных и алюминиевых сплавов [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус, Ри Хосен II Литейное производство. - 2011. - № 8. - С.

5. Григорьев, В. М. Особенности технологии производства циркониевых лигатур из концентрата Алгоминского месторождения. Прогрессивные технологии в машиностроении [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус II Вестник: выпуск 2. / Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 2000. - С. 94-95.

6. Григорьев, В. М. Исследование расплавов циркониевых лигатур [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус II Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: тр. X Рос. конф.: в 4 т. Т. 2. - Екатеринбург-Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - С. 194-196.

7. Григорьев, В.М. Особенности процесса получения циркониевых сплавов из рудного концентрата в электрошлаковом процессе [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус / Принципы и

процессы создания неорганических материалов (II Самсоновские чтения): Материалы сим-поз. - Хабаровск, 2002. - С. 174-176.

8. Белоус, Т.В. Использование дальневосточной руды для производства циркониевой стали электрошлаковым способом [Текст] / Т.В. Белоус II Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов. Материалы Дальневосточного инновационного форума с международным участием. - Хабаровск, 2003. - С. 33-35.

9. Григорьев, В.М. Повышение качества стали легированием и модифицированием цирконием [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус / Вестник ИТПС: темат. сб. науч. тр. Института тяги и подвижного состава / Под ред. В.Г. Григоренко и Ю.А. Гамоли. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004. - Вып. 2. - С. 58-62.

10. Григорьев, В.М. Особенности усвоения циркония железоуглеродистыми сплавами из шлакового расплава в электрошлаковом процессе плавки [Текст] / В.М. Григорьев. Т.В. Белоус // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: тр. XI Рос. конф. - Екатеринбург, 2004. - С. 73-77.

11. Григорьев, В.М. Циркониевая лигатура для отливок тормозных колодок [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус // Вестник института тяги и подвижного состава : тр. 44-й Всерос. науч.-практ. конф. «Современные технологии ж.д. трансп. и пром-сти». 25-26 янв. 2006 г. / ред. В. Г. Григоренко. - Хабаровск, 2006. - В. 3. - С. 185-190.

12. Белоус, Т.В. Легирование меди циркониевой лигатурой [Текст] / Т.В. Белоус // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: тр. региональной на-уч.-техн. конф. творческой молодежи 18-19 апреля 2006 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006.-Т. 1.-С. 8-10.

13. Григорьев, В.М. Влияние циркониевой лигатуры на структуру и свойства алюминия [Текст] / В.М. Григорьев. Т.В. Белоус II Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: тр. пятой международной науч. конф. творческой молодежи, 17-19 апреля 2007 г. В 6 т. / под общ. ред. Ю.А. Давыдова. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. Т. 2. -С. 104-109.-2007.-222 е.: ил.

14. Белоус, Т.В. Циркониевая лигатура для цветных сплавов [Текст] / Т.В. Белоус II Наука-Хабаровскому краю: материалы девятого краевого конкурса-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технические науки), Хабаровск, 17 янв, 2007. - 140 с. - С. 80-88.

15. Белоус, Т.В. Разработка технологии получения циркониевой лигатуры из Дальневосточного минерального сырья [Текст] / Т.В. Белоус II Наука - Хабаровскому краю: материалы одиннадцатого краевого конкурса-конференции молодых ученых и аспирантов (Секция технических наук), Хабаровск, 21 янв. 2009 г. - Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2009. -148 с. - С. 83-92.

16. Григорьев, В.М. Взаимодействие оксида циркония с восстановителями при электрошлаковой выплавке [Текст] / В.М. Григорьев, Хосен Ри, Т.В. Белоус // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: труды XIII Российской конференции: Екатеринбург, 2011. - Т. 4. Взаимосвязь структуры и свойств кристаллического, нанокристаллического и неупорядоченного состояния - С. 98-101.

17. Ри Хосен. Связь между свойствами циркониевых серых чугунов жидком и твердом состояниях и процессами их кристаллизации и структурообразования [Текст] / Хосен Ри, В.М. Григорьев, Т.В. Белоус// Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов: труды XIII Российской конференции: Екатеринбург, 2011. - Т. 4. Взаимосвязь структуры и свойств кристаллического, нанокристаллического и неупорядоченного состояния - С. 195-198.

18. Пат. 2201991 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 33/04,35/00. Способ получения циркониевой лигатуры [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т. - № 2001104262; заявл. 13.02.2001; опубл. 10.04.2003, Бюл. № 10. - 4 с.

19. Пат. 2184791 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 35/00. Лигатура [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т. - № 2001103397; заявл. 05.02.2001; опубл. 10.07.2002. Бюл. № 19. - 6 с.

20. Пат. 2232200 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 9/00. Сплав на основе меди. [Текст] / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т. - № 2002126879; заявл. 07.10.2002; опубл. 10.07.2004, Бюл. № 19. - 3 с.

21. Пат. 2233901 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 21/04. Сплав на основе алюминия [Текст] I В.М. Григорьев, Т.В. Белоус; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т. - № 2002126878; заявл. 07.10.2002; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22. - 4 с.

Белоус Татьяна Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ И МИКРОПЕГИРОВАНИЯ ЦИРКОНИЕВЫМИ ЛИГАТУРАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ИЗ БАДДЕЛЕИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА АЛГАМИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.09.2011. Гарнитура Arial Narrow. Печать RISO. Усл. печ. л.. 1,4. Уч.-изд. л. 1,5. Зак. 302. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет

путей сообщения» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

На

\си

БЕЛОУС ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА

042СИ і ££519

ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

СПЛАВОВ ПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ И МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ ЦИРКОНИЕВЫМИ ЛИГАТУРАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ИЗ БАДДЕЛЕИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА АЛГАМИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО

РЕГИОНА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ри Хосен Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Григорьев Владимир Михайлович

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре — 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................................5

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................14

1.1. Историческая справка о циркониевом сырье и металлическом цирконии........................................................................................................................................................................14

1.2. Свойства циркония..........................................................................................................................15

1.2.1. Физические свойства............................................................................................................15

1.2.2. Химические свойства..............................................................................................................16

1.2.3. Механические свойства........................................................................................................17

1.2.4. Технологические свойства......................................................................................18

1.3. Взаимодействие циркония с химическими элементами................' 19

1.4. Свойства некоторых соединений циркония............................................................27

1.5. Применение циркония для повышения качества и свойств металлических сплавов........................•....................................................................................29

1.6. Результаты патентных исследований по применению циркониевых лигатур............................................................................................................................................38

1.7. Выводы по литературному обзору и постановка задач

исследований..............................................................................................................................................................42

Глава 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................45

2.1 Материалы...............................................................................................................45

2.1.1 Исследование концентрата Алгаминского месторождения................45

2.1.2 Выбор восстановителей циркония..............................................................................46

2.1.3 Шихтовые и флюсующие материалы................................... I' 50

2.1.4. Приготовление рудной добавки.......................................... 51

2.2 Методы плавки..........................................................................................51

2.2.1. Плавка в однофазной электродуговой печи.......................51

2.2.2. Плавка в индукционной печи......................................................................................52

2.3 Методы исследования структуры, химического состава и механических свойств........................................................................................................................................53

2.4 Специальные методы исследования образцов........................................................54

2.4.1 Измерение плотности гидростатическим способом....................................54

2.4.2 Фазовый рентгеноструктурный анализ..................................................................54

2.4.3 Микрорентгеноспектральный анализ:....................................................................55

2.4.4 Исследование кристаллизационных параметров металла....................55

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ ИЗ РУДНОГО КОНЦЕНТРАТА

АЛГАМИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.............................................1 56

3.1. Комплексное исследование состава циркониевого концентрата..... ' 56

3.2. Исследование влияния ферросилиция на процесс получения циркониевых сплавов..........................................................................................................................................56

3.3. Исследование влияния алюминия на процесс получения циркониевых сплавов........................................................................................................................................60

3.4. Исследование влияния шлака от плавки алюминия на процесс получения циркониевых сплавов..............................................................................................................64

3.5. Исследование влияния углерода на процесс получения циркониевых сплавов..................................................................... 68

3.6. Опробование возможности получения сплавов при применении других концентратов...................................................................... 70

3.7. Разработка технологии производства циркониевой лигатуры........ 74

3.8. Определение кристаллизационных параметров и технологических характеристик циркониевой лигатуры........................................................ 79

3.9. Выводы........................................................................... 81

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦИРКОНИЕВОЙ ЛИГАТУРЫ НА ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ, НА СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ................................................ 84

4.1. Исследование влияния циркониевой лигатуры на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, на свойства' серого чугуна................................................................................ '84

4.1.1. Исследование влияния циркониевой лигатуры на строение расплава и кристаллизационные параметры чугуна................................ 86

4.1.2. Связь между параметрами жидкого состояния, кристаллизационными характеристиками и структурообразованием чугуна, обработанного циркониевой лигатурой..................................... 90

4.1.3. Структурообразование в циркониевых чугунах..................... 95

4.1.4. Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида в циркониевых чугунах.................................................................. 97

4.1.5. Физико-механические свойства чугуна, обработанной циркониевой лигатурой.................................................................. 103

4.1.6. Структура и свойства чугуна в отливках, модифицированного циркониевой лигатурой.................................................................. I 106

4.2. Исследование влияния циркониевой лигатуры на процесс _ • структурообразования и свойства литейных алюминиевых сплавов........... 120

4.2.1. Исследование влияния циркониевой лигатуры на процесс структурообразование и свойства технического алюминия...................... 120

4.2.2. Модифицирование алюминиевого сплава АК5М2 циркониево-кремнистой лигатурой.................................................................... 124

4.2.3. Микрораспределение элементов в циркониевых алюминиевых сплавах....................................................................................... 128

4.3. Исследование влияния циркониевой лигатуры на структурообразование и свойства меди и ее сплава.............................. 135

4.3.1. Влияние циркониевой лигатуры на структуру и свойства меди........................................................................................... 135

4.3.2. Микрораспределение элементов в медных сплавах................. 140

4.4. Выводы............................................................................1 149

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ • ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................ 155

5.1. Анализ характера износа локомотивных колодок....................... 155

5.2. Анализ качества чугуна локомотивных и вагонных тормозных колодок...................................................................................... 159

5.3. Повышение качества чугуна вагонных тормозных колодок........... 162

5.4. Влияние циркония на процесс получения ковкого чугуна.............і 165

5.5. Влияние методов получения на структуру и свойства-циркониевого, чугуна..................................................................... 168

5.6. Повышение качества стали................................................... 172

5.7. Выводы............................................................................ 174

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................................ 175

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................... 179

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................ 196

ВВЕДЕНИЕ

Одними из наиболее эффективных способов улучшения качества и свойств литейных сплавов являются процессы модифицирования и легирования, приводящие к измельчению структуры сплавов и упрочнению их структурных составляющих.

Полиметаллические руды, имеющиеся на Дальнем Востоке, содержащие широкую номенклатуру химических элементов, могут служить в качест-

I

ве исходного сырья для получения модификаторов и лигатур для повышения механических-и других специальных свойств металлических сплавов.

В Хабаровском крае разведано'новое месторождение циркониевых руд на реке Алгама в Аяно-Майском районе. По предварительным оценкам разведанная^ часть месторождения содержит около 600 тыс. тонн [1]. Цирконий является хорошим раскислителем стали, чугунов и может оказывать» модифицирующее и легирующее воздействие* на литейные сплавы на основе железа, алюминия и меди.

Получение чистого циркония традиционными технологиями весьма

I

сложно и требует больших затрат и сложного аппаратурного оформления. Поэтому в-чистом виде, для управления структурой-и свойствами литейных, металлических сплавов, его использование экономически нецелесообразно.

Новым направлением на пути создания-рациональной* технологии получения цирконийсодержащих лигатур является совершенствование технологии металлотермического синтеза'циркония-из бадделеитового концентрата (гю2) при электродуговой выплавке.

Применение циркония в качестве легирующего элемента или модификатора в составе лигатур (металлических сплавов) имеет большие перспекти-

I

вы для повышения качества и свойств литейных металлических сплавов. Поэтому разработка технологии и новых составов цирконийсодержащих лигатур на основе бадделеитового концентрата Алгаминского месторождения Дальнего Востока является весьма актуальной проблемой для металлургии и литейного производства.

Известно, что цирконий в качестве модификатора и легирующего элемента способствует получению серого чугуна с пластинчатым графитом и перлитной металлической основой, уменьшает тенденцию к отбеливанию и обеспечивает формирование в структуре чугуна мелких и равномерно распределенных в металлической основе включений графита, что в конечном итоге повышает механические и служебные свойства чугуна (Н.Г. Гиршович, Д.Н. Худокормов, H.H. Александров, Б.Б. Гуляев, Б.С. Мильман, A.A. Жуков, И.А. Вашуков и другие). Из литературных сведений известно положительное влияние циркония на физико-механические и эксплуатационные характеристики литейных медных и алюминиевых сплавов< (A.B. Курдюмов, М.Б. Албтман, Г.Л. Миллер и другие).

При этом немаловажное значение имеет доступность и низкая себестоимость синтезируемых цирконийсодержащих лигатур. Алгаминское месторождение циркония не имеет транспортной связи с промышленными центрами. Вывоз концентрата предполагается по реке Алдан и реке Лене до г. Якутска, а в зимнее время автотранспортом до г. Аян, затем морем до г. Николаевск-на-Амуре. Поэтому производство цирконийсодержащих лигатур целесообразно осуществлять на местах добычи сырья.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке технологии повышения свойств отливок из сплавов на основе железа, алюминия и меди путем модифицирования и микролегирования циркониевыми лигатурами, синтезированными из бадделеитового1 концентрата при металлотермии в электродуговой печи, и установлении закономерностей изменения параметров жидкого состояния, процессов кристаллизации и структурообразова-ния, физико-механических свойств циркониевых сплавов с целью управления структурой и свойствами в отливках.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование возможности переработки циркониевого концентрата Алгаминского месторождения в электродуговой печи с целью получения

циркониевых сплавов и лигатур.

2. Исследование влияния различных номенклатур восстановителей циркония из его оксидной фазы на степень извлечения циркониевой лигатуры и разработка на этой основе новой технологии ее получения. Технологические свойства и идентификация структурных составляющих циркониевых лигатур методом рентгеноструктурного анализа.

3. Исследование влияния циркониевой лигатуры на параметры жидкого состояния, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства серого чугуна.

4. Выявление закономерностей изменения физико-механических свойств чугуна, отлитого в кокиль, в зависимости от величины добавки циркониевой лигатуры.

5. Исследование влияния циркониевой лигатуры, на устранение кромочного отбела в тонкостенных отливках и получение мелкодисперсной перлитной структуры с повышенными свойствами.

6. Исследование влияния циркониевой, лигатуры на структурообразо-вание и физико-механические свойства алюминия и его сплава АК5М2.

7. Исследование влияния циркониевой лигатуры на структурообразо-вание и физико-механические свойства меди.

8. Исследование микрораспределения элементов в различных фазах металлических сплавов методом микрорентгеноспектрального анализа.

9. Реализация результатов работы на практике.

Научная новизна работы заключается^ следующем:

1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения циркониевых сплавов на основе бадделеитового концентрата в электродуговой печи при температурах 1500... 1650 °С в течение 30...35 мин:

- установлены закономерности изменения степени извлечения циркониевых сплавов и их удельного веса в зависимости от вида и содержания восстановителей (алюминиевая стружка, ферросилиций ФС-45, шлак от плавки алюминия, измельченный графит) из бадделеитового концентрата. С

увеличением в шихте наиболее эффективной добавки алюминиевой стружки, ферросилиция ФС-45 и шлака от плавки алюминия степень извлечения циркониевых лигатур возрастает до 35...38 %, а удельный вес лигатур уменьша-

I

ется до 4,7...5,8 г/см :

- полученные циркониевые лигатуры (состав, масс.%: 27...45 25...35 81, 0,3...0,5 \У; 3...6 А1; 2...5 М§; 0,1 Са; остальное Бе) имеют температуры кристаллизации 1250... 1260 °С и эвтектики - 1100... 1160 °С в зависимости от содержания основных компонентов лигатур (, 81, А1, Бе);

- идентифицированы структурные составляющие лигатур (2иТ, интерме-таллиды — Ее22г, Ег2Ре281; БеБ!) методом рентгеноструктурного анализа.

2. Установлены новые закономерности изменения, параметров жидкого состояния (плотность расплава с1, степень уплотненения -А1ж и коэффициент

I

термического сжатия аж расплава), процессов кристаллизации и структуро-образования чугуна.(состав, масс.% 3,14 С; 2,8 81; 0,41 Мп; 0;07 Р; 0,056 Б; 0,11 Сг; 0,12 N1; 0,05 Т1) в зависимости от величины добавки циркониевой лигатуры до 5,0 масс.% (состав, масс.%: 38 Zr, 34 81, 11 Бе, остальное — сопутствующие элементы) и дано научное обоснование установленным закономерностям:

- на изотермах плотности (1300...1500°С) можно выделить шесть участков (0...0;1; 0,1...0,6; 0,6...1,0; 1,0...2,0; 2,0....4,0 и 4,0...5,0 % лигатуры), на которых протекают определенные физико-химические процессы, отра-

I

жающиеся. на параметрах жидкого состояния; как правило, между плотностью, степенью уплотнения и коэффициентом термического сжатия расплава существует прямая корреляция;

- установлена связь между параметрами жидкого состояния и процессами кристаллизации и структурообразования циркониевого чугуна; уменьшение параметров жидкого состояния способствует повышению кристаллизационных параметров и измельчению структурных составляющих циркониевых чугунов (дендритов аустенита и графита); исключением является интервал добавок лигатуры от 1,0 до 2,0 масс.% лигатуры.

3. Выявлены закономерности изменения физико-механических свойств чугуна, отлитого в металлическую и песчаную формы (0 20 мм), в зависимости от величины добавок циркониевой лигатуры до 3,0 масс.%:

- твердость чугуна кокильного литья монотонно уменьшается в зависимости от величины добавок лигатуры до 3,0 масс.%: от 225 НВ для немо-

I

дифицированного до 175 НВ при 3,0 масс.% лигатуры, а предел прочности на разрыв возрастает от 150 МПа для исходного чугуна до 240 МПа у чугуна с 0,5... 1,5 масс.% лигатуры.и до 300 МПа при*3,0 масс.% лигатуры (переход

марки СЧ15 к марке G430); плотность чугуна изменяется по экстремальной

■j

зависимости с минимумом ее значения при 1,5 масс.% лигатуры (6,75 г/см ), при добавках лигатуры 2,0...3,0 масс.% прочность и плотность чугуна существенно возрастает до 7,0...7,2 г/см3, так как в структуре появляются упрочняющие фазы интерметаллидов типа FexSiyZrz, равномерно распределенные в металлической основе; электросопротивление возрастает от 2,3 • 10"7 в исход-

I

ном до 2,8-10" Ом-м при 3,0 масс.% лигатуры;

- при заливке чугуна в песчаные формы предел прочности на разрыв возрастает от 110 МПа до 150 МПа при добавках 0,5... 1,5 масс.% лигатуры с последующим его»ростом до 210 МПа при 2,5...3,0 масс.% лигатуры; при этом электросопротивление возрастает от 2,75-10"7 до 4,75-10"7 Ом-м при 3,0 масс.% лигатуры;

- основной причиной повышения прочности циркониевого чугуна является измельчение структуры с равномерно распределенной цементитной фазой и интерметаллидами циркония в металлической основе; в изломе образца структура более мелкая и плотная, чем в исходном чугуне.

4. Модифицирование чугуна (состав, масс.%: 3,33 С; 1,69 Si; 0,45 Мп; 0,11 Р; 0,06 S; 0,1 Сг; ОД Ni и остальное Fe) при кокильном литье (0 12мм) оказывает эффективное влияние на устранение кромочного отбела, получение мелкодисперсной перлитной структуры и графитных