автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка альтернативной технологии производства отливок из высокопрочного чугуна в условиях Египта

КОМИТЕТ роесийсксй ФЕДЕРАЦИИ.ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ ( ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ )

Р Г Б ОЙ ___ '

' ' На правах рукописи

УЖ 669.131.622:669:86/86

САШ ЕДЦЙН МОХАМЕД АБДЕЛЬ ГАВАД АЗЗАМ

РАЗРАБОТКА АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА В УСЛОВИЯХ ЕГИПТА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Диссертационная работа выполнена на кафедре 9ехнологии литейных процессов Московского института стали и сплавов и на арматурном заводе (г.Александрия, АРЕ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Л.Я.Козлов

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент А.П.Воробьев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю.И.Уточкин

кандидат технических наук Я.Г.Клецкин

Ведущее предприятие: Московский завод "Водоприбор"

Залита состоится "15" декабря 1994_ года в __ часов на

заседании специализированного совета Д.053.08.01 по присуждению .

ученых степеней в' области металлургии черных металлов при

Московском Государственном Институте Стали и Сплавов по адресу:/ ' 117936,Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Справки по телефону: 237-84-45

Автореферат разослан " " ноября 1994

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

Д.И.БОРОДИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах отмечается тенденция существенного увеличения . выпуска отливок из высокопрочного чугуна, одного из наиболее перспективных современных литейных материалов . Обладая высокими технологическими и служебными свойствами, высокопрочный чугун с успехом заменяет сталь и другие литейные сплавы для изготовления отливок ответственного назначения. Высокая герметичность в сочетании с ударо-и коррозионностойкостыо обеспечили ЧШГ эффективное, использование как наиболее экономичного материала для производства напорных труб и фитингов,' причем свыше половины мирового производства высокопрочного чугуна расходуется на эти цели .

В послед..ие годы производство отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом существенно возрастает и в Арабской Республике Египет (АРЕ). Также как в большинстве промышленно развитых стран ЧИГ среди литых сплавов занимает второе место по тоннажу после серого чугуна. Его производство с 1993 по 2000 гг. вырастет с 55 до 75 тысяч тонн ( на 36 X ) и его удельный вес в общем объеме производства отливок составит 38 X.

Рост объемов производства отливок из ВЧ требует значительного увеличения количества исходных шихтовых материалов, которые в основном импортируются. Наиболее распространенным способом получения высокопрочного чугуна в Египте является магниевый процесс, чрезвычайно чувствительный к наличию примесных элементов и требующий высокой чистоты расплава. Применение импортируемых высококачественных и высокочистых шихтовых материалов вызывает увеличение стоимости отливок из ВЧ. Снижение себестоимости расп-

- л -

лава может быть достигнуто использованием более девевых яихтовы? материалов, имеющихся в Египте. Они отличаются от применяемого i настоящее время доменного чугуна Sorel в первую очередь высоки), содержанием' марганца и фосфора, рафинирование чугунов от фосфора я марганца без потерь основных компонентов является нерешенной проблемой и не имеет широкого распространения в промышленности. Это заставляет вести поиск новых составов сфероидиаируювдх лигатур, позволяющих надежно управлять графитообраэованием в чугуне с повышенным содержанием примесей. Несмотря на многочисленные исследования, роль Mi и Р в формировании структуры чугуна и их влияние на эффективность обработки расплава Се или Мег окончательно не выяснены. Повышенные концентрации Ри№ могут существенно ухудшать свойства отливок ив ВЧ ва счет образования легкоплавкой фосфидной эвтектики или выделения ледебурита, однако предельно допусти»» концентрации этих элементов в зависимости от назначения, толщины стенки отливок, способов сфероидивируюцей обработки расплава Не установлены.

Поэтому, чрезвычайно актуальным не только для Египта является разработка альтернативной технологии производства отливок иг высокопрочного чугуна с,использованием более дешевых местных исходных шихтовых материалов.

Дель работы. Разработка альтернативной технологии производства отливок из высокопрочного чугуна, позволяющей испольво-вать местные пихтовые материалы, с целью снижения стоимости отливок на основе детального исследования роли марганца, фосфора; церия и магния в процессах графитиеации чугуна и сфероидизации графита.

Научная новизна работы. Предложен механизм формирования шаровидного графита при сфероидизирущей обработке церием и магнием чугуна с повышенным содержанием примесей Мп и Р. Марганец, снижая коэффициенты активности и диффузии углерода в расплаве, усиливает влияние церия и магния на кристаллизацию чугуна. В сплавах, содержащих Мп, шаровидный графит в структуре формируется при меньших концентрациях церия. Показано, что сульфида марганца не являются подложками для зарождения графита.

Фосфор, обладая низкой растворимостью в твердой фазе, в процессе кристаллизации накапливается в приграничной области,, увеличивает коэффициенты активности и диффузии углерода в расплаве, способствует гранитизации чугуна и образует легкоплавкую фосфидную эвтектику. При введении церия в процессе кристаллизации образуются фосфиды церия глобулярной формы, располагающиеся в виде изолированных включений по границам эвтектических колоний, что позволяет использовать для получения БЧ пихтовые материалы с повышенным содержанием фосфора. .

Показано, что фосфиды церия не являются подложками для гетерогенного зарождения графита в чугунах.

Предложены зависимости по определенно количества церия и магния, необходимого для получения шаровидного графита, с учетом скорости охлаждения чугуна.

Подтверждено, что образующиеся в расплаве при сфероидизирующей обработке сульфиды церия являются подложками для зарождения графита в промышленных чугунах.

Практическая значимость. Разработан технологический процесс двухстадийного модифицирования расплава чугуна с повышенным содержанием нежелательных примесей, обеспечивающий формирование

- б -

структура высокопрочного чугуна в отливках, о

Процесс позволяет частично заменить дорогостоящие чистые импортируемые шихтовые материалы на более дешевые местные,что приводит к значительного.снижению стоимости отливок при сохране-' нии, а в некоторых случаях, повышении эксплуатационных характеристик. . ' ' ■■;.■'

Предложенные зависимости позволяют рассчитывать оптимальные, количества Се и Ыц в зависимости от чистоты расплава и толщины стенки отливки..

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и об-сувдены на 60 Всемирном конгрессе литейщиков (Гаага, 1993), научных семинарах ассоциации литейщиков Египта, технических совещаниях арматурного взвода (г. Александрия,АРЕ).

. Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 статьи и 1 тезисы доклада. .

Объем работы.' Диссертация состоит иа введения, 8 глав, выводов, списка литературы из источников.

Работа изложена на . стр. машинописного текста и ил люстрирована рисунками и таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса и задачи исследования

В последние годы производство отдизск из чугуна с шаровидным графитом быстро расширяется, что обусловлено весьма благоприятным сочетанием технологических, механических и эксплуатационных Свойств. ' Наиболее распространений/! способом получения ВЧ является магниевый процесс, шторьш достаточно хорошо разработан и позволяет получать необходимую структуру чугуна в отливках. Однако, практика производства отливок, из высокопрочного чугуна показала, что этот процесс чрезвычайно чувствителен к пргодасныч элементам, поэтому в цело?,) ряде случаев обработка или Мг-со-дермащими лигаъурами чугуна, выплавленного на различной ших?«, не приводит к ожидаемым результатам. Несмотря на ыногочислеккне

исследования, роль примесных элементов в формировании структуры /

чугуна окончательно не выяснена.

Проводя обработку расплава РЗМ-содержащши лигатурами, модно избежать ряд недостатков, присущих магниевому процессу. Ввод РЗМ совместно или вместо М? позволяет нейтрализовать влияние элементов-демодификаторов. Основным преимуществом присадок РЗМ является отсутствие пирозффекта при вводе их в жидкий металл. Однако, РЗМ не получили широкого распространения из-за относительно высокой стоимости, нивкой стабильности получения шаровидного графита, недостаточной изученности механизма влияния РЗМ на кристаллизащво чугуна и морфологию графита. Мнения о сферон-дизирующей способности РЗМ весьма сильно различаются.

Определяющее значение. в формировании структуры и свойств

чугуна имеет процесс графитизации, важнейшим? этапами которого являются образование зародышей графита и их дальнейший рост. Примесные элементы, Р8М и Мг могут оказывать существенное влияние на оба эти этсла, однако относительно механизма протекающих процессов выоказываются самые противоречивые мнения. Фундаментальные знания о механизме образования шаровидного графитами роли примесей в этом процессе необходимы для совершенствования технологии, разработки методов ее контроля и управления.

При разработке модели сфероидизации графита исследователи часто исподьвуют экспериментальные данные о микрораспределении элементов - сфероидизаторов и примесэй между фазами и структур--ними составляющими. Раа„лчные авторы, используя разные методики, сообщают о взаимоисключающих результатах по поведению и месту нахождения элементов в чугуне.

Хотя марганец и фосфор являются постоянными компонентами . дагуна, механизм их влияния на его структуру и морфологию графи-.та все еще остается дискуссионным.

Анализ методик экспериментов показал, что разнообразие течек зрения обусловлено испольвованием различных шихтовых материалов , различным содержанием примесей в расплаве, различием скоростей охлаждения.

Учитывая неоднозначность имеющихся сведений, сложность проблемы формообразования графита, были поставлены следующие задачи исследования:

- уточнение механизма воздействия Се и М? на структуру чугуна , выявление их роли в зарождении и росте графита;

- выявление механизма воздействия марганца и фосфора на графитивацию чугуна, изучение влияния этих элементов на эффек-

тивность сферовдизирущей обработки чугуна Се и Мг;

- определение оптимальных количеств Се и М?,. необходимых для получения ШГ, с учетом скорости охлаждения;'

- изучение совместного влияния церия и магния на структуру чугуна с повышенным содержанием примесей;

- определение реальных скоростей охлаждения расплава чугуна в песчаной форме в -зависимости от толщины стенки отливки.

2. Методика проведения экспериментов.

Объектом исследования служили высокочистые заэвтектические Ре-С(4,4-4,7Х С) сплавы, выплавленные в атмосфере аргона из карбонильного железа и спектрально чистого графита, а также промышленные чугуны, содержащие 3,5-3,8% С; 2,2-3,IX 51; 0,3-0,9% Мп;. 0,02-0,05% Б; 0,02-0,062 Р. Использование высокочистых сплавов позволило исключить влияние ряда неконтролируемых примесей, обычно присутствующих в промышленных чугунах. Для изучения влияния фосфора и марганца их вводили в сплавы преднамеренно в виде феррофосфора (14,8%Р) и чистого марганца в количествах до 0,5% Р и 1,0% Мп .соответственно.

Сфероидизирующую обработку сплавов осуществляли при температурах 1400-1450 °С чистым металлическим церием (Се-1) и ни-кельмагниевой лигатурой с 15% Ме в инертной атмосфере, чтобы избежать их окисления. Промышленные чугуны обрабатывали в индукционной печи мишметаллом МЦ54Я6 и в ковше магнийсодержащей лигатурой типа М (10,61 М?).Для предотвращения отбела проводили графитизирующее модифицирование сплавов ферросилицием ФС75 в количестве 0,5-1,0% от массы расплава.

Исследование микроструктуры чугунов проводили на оптических микроскопах ШМ-7, NE0PH0T-23 И "MOTOVOL WETALLOÜRAPH 1С LEC0". Структуру чугуна оценивали по соответствующим стандартам . Для выявления характера металлической основы проводили травление спиртовым раствором азотной кислоты.

Микрораспределение элементов и состав неметаллических включений исследовали на микрсанализаторах "СА).!ЕВЛХ/М8Х" и "JEOL JSU 35 CF". Содержание серы, углерода и кислорода в сплавах определяли ка анализаторах "LEC0". Химический состав шихтовых материалов' и промышленных чугунов определяли на «.пантометре ARL 3460.

Определение скоростей- охлаждения чугуна в зависимости от толщины стенки отливки тределяли на экспериментальных отливках, используемых для контроля механических свойств.

Исследование влияния Мп,Р,Се и Mg на параметры и киветику кристаллизации чугунов проводили на установке для дифференциального термического анализа (ДТА), ранее разработанной в МИСиС на кафедре ТЛП. Разность температур между образцом и эталоном измерялась с помощью батареи из десяти последовательно включенных термопар 8Р5/20. Скорость охлаждения образцов составляла 10 ^СУмин. Эксперименты проводили в атмосфере гелия.

Определение предела прочности бв и относительного удлинения 8 при растяжении осуществляли на цилиндрических образцах диаметром 14 мм.

Твердость по Бринелю (10X3000X30) определяли на приборе VÍ0LPERT За.

Расчет процесса охлаждения расплава чугуна в песчаной форме проводили на ЭВМ. Статистическую обработку результатов измерений осуществляли с использованием пакета прикладных программ STATG-

[?АРН1СЗ, который позволяет провести регрессионный анализ и гра-. фически представить его результаты.

3. Определение скорости охлаждения расплава в зависимости от толщины стенки отливки

Скорость охлаждения оказывает важнейшее влияние на структуру чугуна и количество сфероидизирущих присадок. В связи с этим, на первом этапе, методом термического анализа определяли реальные скорости охлаждения расплава чугуна в песчаной форме • для различных толщин стенок отливок.

Все кривые охлаждения характеризуются наличием горизонтальных площадок, обусловленных выделением теплоты кристаллизации во время эвтектического превращения. Так как состав бливок к звтек-. тическому (СЕ=4,3-4,4), других превращений на кривых охлаждения не отмечается. С увеличением скорости охлаждения (с уменьшением толщины стенки) степень переохлаждения перед началом эвтектической кристаллизации возрастает и сам процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной.

Экспериментальные данные были статистически обработаны на ЭВМ при помощи ППП ЗТАТЖАРН1СЗ, в результате чего подучено уравнение регрессии, связывающее скорость охлаждения чугуна в жидком состоянии (Уохл) и толщину стенки отливки (5):

30906

Уохл - 27 + --

б2

Результаты расчетов процесса охлаждения^расплава чугуна в песчаной форме на ЭВМ находятся ь хорошем соответствии с экспериментальными данными. Различие между ними не превышает 207.,поэтому передложенная математическая модель к программа расчета могут быть использованы для оценки влияния технологических параметров на скорость охлаждения.

Полученные данные позволяют определит старость охлаждения расплава чугуна в песчаной форме в зависимости от толщины стенки отливки, что, как будет показано, позволяет корректировать величину о лишать ной присадки сферовдизируклцего модификатора.

4. Влияние церия, магния л скорости охлаждения на кристаллизацию и структуру чистых сплавов Ре-С.

Введение церия (0,05-0,31) приводит к уменьшению скорости

кристаллизации заэвтектических сплавов на всех его этапах и спо-/ ■ собствует увеличению продолжительности и температурного интервала процесса. При вводе 0,3% Се продолжительность кристаллизации возрастает на ЗОХ. Термограммы ДТА отклоняются при температуре ликвидус от базовой линии на меньший угол по сравнению с исходным сплавом, что является результатом замедления выделения графита из расплава. Массовая скорость выделения первичного графита шаровидной формы, оцениваемая по .лошади под кривой ДТА, в сплаве, обработанном 0,32 Се и 0.5Х ФС75, в 2,5-3,2 раза меньше, чем скорость образования пластинчатого графита в сплаве без церия.

Изменение условий роста вызывает последовательное изменение морфологии графита от одиночных пластин к разветвленным розеткам

(0,05-0,12 Се) и, в конечном счете, к образованию иаровидного графита (О,ЗУ. Се).

Добавки магния rwco евлчителыю спихяют скорость и увели-чикают продолжительность кристаялвяапяи сплазов, тормозят выде-■ ,пение первичного графита.- При образовании '""»ровидного графика кристаллизация сплавов, обработанных Се иди Mg, описывается аналогичными дифферешшапьными кривыми. Изменения в характере кристаллизации и структуре обусловлены тем, что Се и Mg1, имея низкий коэффициент распределения между твердой и жидкой фазами, оттесняются в приграничную область. В процессе роста графита они на-, калливаются на фронте кристаллизации и, уменьшая активность и коэффициент диффузии углерода, изменяют морфологию графита. 'В чистых сплавах Се и Mg регулируют условия роста графита в расплаве.

Экспериментально установлено, чп,о количества церия и магния, необходимые для получения шаровидного графита, зависят от скорости охлаждения. С увеличением У0хл с Ю до 150 °С/мин оптимальное остаточное содержание магния уменьшается с 0,06 до 0.035Z. При 0,062: Mg и скорости охлаждения 150 °С/мин кристаллизация сплапе происходит по метастабильшй диаграмме состояния с образованием ледебурита.

В результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ, по- ' лучены зависимости оптимальных концентраций Mg и Се в чистых Fe-C сплавах, необходимых для сфероидиаации графита, от скорости охлаждения:

[Mg]

. tee]

0,0936

Vox/'203 0,845

Vc

0.5

С увеличением скорости охлаждения изменяется соотношение между оптимальными концентрациями Се и Mg . С учетом коэффициентов усвоения в расплаве для получения шаровидного графита в чистых Fe-C сплавах при высоких скоростях охлаждения (150 °С/мин) необходимо вводить практически одинаковые количества церия и магния.

Незначительная передозировка Се или Mg приводит к появлению отбела в структуре.

t

5. Влияний марганца на графитизацию чугунов

С целью уточнения механизма воздействия марганца на струк-турообразоваиие чугунов использовали чистые Fe-C , содержащие и не содержащие серу, которую преднамеренно вводили в расплав в виде сульфида железа. .

Марганец в широком диапазоне концентраций (до IX) способствует измельчению и .увеличению степени разветвленности графита. При введении IX Мп средний размер графита уменьшаете я до 10 мкм. В отличии от воздействия РЗМ и Mg даже значительные добавки марганца (12) не приводят к образованию ледебурита, металлическая матрица сплавов при 0,3-1,ОХ Мп практически перлит-

ная.

В присутствии марганца изменяется характер кристаллизации сплавов. Введение Мп вызывает снижение температуры начала выделения первичного графита и конца кристаллизации зазвтектических сплавов.уменьшение температурного интервала кристаллизации(рис.1)

Снижение температуры выделения первичного графита обусловлено воздействием марганца на активность углерода в расплаве. Термодинамические расчеты с использованием параметров взаимодействия показали, что введение 1% Мп должно привести к снижению температуры ликвидус сплава Ре-4.5% С на 15°С, что находится в-хорошем соответствии с результатами ДТА ( 17°С ).

Так как все исследователи относят Мп к карбидообразующим элементам, были проведены термодинамические расчеты по определению условий образования карбидов марганца в расплаве чугуна. По-, казано, что при реальных концентрации Мп и С • при температуре эвтектической кристаллизации образование самостоятельных карбидов МпзС термодинамически невозможно.

Марганец, незначительно снижая коэффициенты активности и диффузии углерода в расплаве чугуна, препятствует графитизации, затрудняя выделение графита иэ расплава. Коэффициент распределения Мп между твердой и жидкой фазами, оцененный по диаграмме состояния, близок к 1, и марганец в отличии от ряда других элементов (Се, Мг, 3, Р), характеризуется невысокой склонностью к ликвации.

Tf»№OTOiW<- ДТЛ JC- С ГГ'Г.ВОП , СО армиях ¡.'ПЧГЙЧ--П

г---

1-игхопный гпла*.2-0,3 « И/t , 3- 1,0 " -¿¡п ' Рис. I

Учитывая, что обычно влияние Мл на структуру чугуна рассматривают совместно с воздействием сери, исследовали влияние марганца на кристаллизацтп и структуру Ре-С сглавов, содержащих 0,03% Б. Совместный ввод марганца и сери не вызывает заметных изменений параметров кристаллизации сплавов. Скорость выделения графита, оцененная по площади под кривой ДТА, меньше, чем в исходном сплаве. Полученные данные, таким образом,' подтверждают гипотезу о той, что сульфида марганца являются поклоясгсаш для зарождения графита. Они располагаются в структуре сплава в основном по грат 'цам эвтектических колоний, что свидетельствует их образовании в процессе кристаллизации чугуна. Термодинамические расчеты показали, что марганец является относительно слабил десул! куратором ¡1 формирование МпЭ при реальных концентрациях Мп и 3 в расплаве происходит в процессе кристаллизации чугуна.

С целью изучения влияния марганца на эффективность обработки сплавов церием и магнием сопоставляли кривые ДТЛ сплавов Ре-4,6Х с и Рэ-4,6% С-0,5% обработанных одним и тем же количеством Се п Марганец снижает температуры ликвидус и конца кристаллизации, причем более значительно для сплавов, ' шдифнш--рованных церием.

Наличие в сплавах Мп усиливает воздействие церия и магния ¡¡а кристаллизацию чуг/иов.' Марганец и церий, совместно 'присутствующие в чугуне, ь большей степени'снижают ага-ивность и коэффициент дкффузпн углерода в расплаве по сравнению с обработкой чугуна только церием. Шаровидный графит в сплаве Ре-4,бХС-0,5%Мп формирумтсп при меньших (0,25%), чем в сплаве ре-4,6.?С количест-»ах введенного церия ('0,3% Се). При больших концентрациях Мп П*) в ¡»эвтектических Р<?-С сплавах, обработанных церием и 0,5%

<ВС75, наблюдается отбел. Анализ диаграмм состояния систем Се-Мп

' и Мг-Мп показал, что химические соединения марганца с церием и

магнием не образуются. В связи с этим можно полагать, что меха/

низм влияния Мп на эффективность обработки чугуна Се и Мв связан с изменением активности элементов в расплаве.

б. Роль фосфора в формировании структуры чугуна

С целью уточнения механизма воздействия Р исследовали методом ДТА кри таллизацию и структуру высокочистых заэвтектических Ге-С сплавов, содержащих фосфор, обработанных и не обработанных церием, анализировали микрораспределение фосфора в структуре сплавов после затвердевания.

Фосфор в широком интервале концентраций вызывает увеличение размеров графита от 15-90 мкм до 90-120 мкм ( 0,5% Р). В связи с высокой чистотой расплавов графитизирующее влияние Р не может быть связано с гетерогенным зарождением графита. Полученные результаты нельзя также объяснить адсорбцией фосфора на ступеньках роста, так как это приводило бы не к укрупнению, а к измельчению графита.

Добавки фосфора повышают температуру выделения первичного графита на 5-10 °С, значительно снижают( на 20-Э0 °С)температуру конца кристаллизации, значительно увеличивая интервал и продолжительность кристаллизации, тормозя выделение твердой фазы из расплава, о чем свидетельствует угол наклона кривых ДТА к оси абсцисс (рис.2).

TftpworpewH ДТА 9é-C сплав»в,свд«ржащюс фвсфвр

т

Рис. 2

В конце кристаллизации сплавов, содержащих 0,1-0,5% Р при температурах 1110-1085 °С отмечаются пики, связанные с выделением 'легкоплавкой фосфвдной эвтектики, которая располагается по границам эвтектических колоний, образуя сплошную сетку.

Фосфор характеризуется ограниченной растворимостью а твердом состоянии, что приводит к резкому возрастим» его шицентра-ции на фронте кристаллизации. накопление фосфора, повивающего активность и. коэффициент диффузии углерода в расплаве, способствуе росту крупного пластинчатого графита.

Исследование распределения фосфора в сплаве Ре-С-0,05% Р, обработанного церием, выявило вместо сетки фосфидной эвтектики глобулярные включения фосфидов церия, расположенные цепочкой по границам эвтектических колоний. Отсутствие фосфидов церия внутри графитовых включений и анализ их кристаллографических параметров позволяет прийти к заключению,что фосфиды церия не являются подложками для гетерогенного зарождения графита.

Термодинамические расчеты показали, что при обычных для получения чугуна с шаровидным графитом концентрациях Р и Се фосфиды церия не образуются в расплаве до начала кристаллизации чугуна. Их образование возможно в процессе кристаллизации чугуна, так как вследствие высокой склонности к ликвации концентрация этих элементов в отдельных микрообъемах расплава увеличивается и может достигать критических значений.

Обработка церием сплавов, содержащих фосфор, изменяет морфологию и характер распределения фосфидов в чугуне. Это позволяет использовать для получения расплава высокопрочного чугуна материалы с повышенным содержанием фосфора.

7. Совместное влияние церия и магния на формирование структуры чугуна, содержащего пов'.".:;енное количеств примесей

Учитывая различный характер влияния церия и магния на процесс графигизации, особенно в присутствии примесей S,P,Mn, изу- . чено совместное влияние этих элементов-сфероидизатотхэв на. формирование структуры чугуна. -

Для исследования влияния двухстадийного модифицирования на структуру чугуна с повышенным содержанием примесей использовал" чугун состава: 3,5-3,67. С; 2,1-2,4% S1; 0,6-0, 7. Мп; 0,05-0,062: Р; 0,05% S. Его обрабатывали в индукционной печи емкостью 60 кг мишметаллом МЦ54Ж8 и в ковше магниевой лигатурой ЖКМК. Перед заливкой расплава в форму проводили графитизирующее модифицирование 0,8% ФС75. Для контроля структуры заливали цилиндрические образцы диаметром 30 мм.

Введение 0,4Х МЦ54Ж6 к последующий ввод магниевой лигатуры вызывает изменение формы графита от пластинчатой до вермикуляр-ной СО,25-0,507. ЖКМК) и шаровидной (0,25-0,50% ЖКМК). Обработка чугуна в печи мишметаллом снижает величину отбела, а ввод магниевой лигатуры вызывает его увеличение.

Изучение образцов на микроанализаторе выявило в центре сфе-ролитов графита неметаллические включения глобулярной формы диаметром 1-3 мм, в состав которых входят церий и сера (рис.3). Другие элементы в составе включений не обнаружены. Это свидетельствует о том, что сульфиды церия образовались в расплаве до начала кристаллизации чугуна и являются подложками для зарождения графита в промышленных чугунах.

Включения СеЭ внутри шаровидного графита.

а - изображение во вторичных электронах, х 2ооо б - изображение в характеристическом излучении Се, кзооо

Рис.3

i

\

\

i

в - изображение в характеристическом излучении серы, *2ооо

Рис.3

Результаты экспериментов позволили предложить двухстадийную обработку расплава чугуна, которая заключается в введении РЗМ в расплавленный чугун для нейтрализации' примесей и создания подложек для зарождения графита с последующей обработкой расплава магнием для регулирования скорости роста графита.

Эксперименты показали, что двухстадийная обрг'отка расплава чугуна позволяет управлять структурой чугуна и обеспечивает получение шаровидного графита при повышенном содержании серы, фосфора и марганца.

8. Опытно-промышленное опробование двухстадийной технологии модифицирования высокопрочного чугуна

Опытно-промышленное опробование новой технологии проводилось в условиях Каирского трубного завода и экспериментального завода Центральной исследовательской металлургической лаборатории Академии наук Египта.

Базовый чугун в литейном цехе N 2 трубного завода выплавляли в индукционной печи промышленной частоты вместимостью 1 т. При расчете шихты предусматривали снижение содержания чугуна Sorel с 50 до 35Z , и его частичную замену местным Солее дешевым Хелуанским чугуном. Состав металлической составляющей шихты: чугун Sorel - 35%, Хелуанский чугун - 15%, возврат - 50%. Расплав перегревали до температуры 1450°С и в печи проводили сфероидизи-рующее модифицирование мишметаллсм состава: 54% Се, 14% Nd, 24% La, 1% Рг, 1% Sm, 6% Fe. Обработка расплава FSM в индукционной

печи улучшала перемешивание расплава и ускоряла взаимодействие РЗМ с примесями.

Вторая стадия модифицирования заключалась в обработке расплава в ковше "сэндвич"-процессом магниевой лигатурой на основе ферросилиция с содержанием магния 6-8% в количестве 2,2%,определенном по предложенным зависимостям, позволяющим учесть скорость охлаждения расплава в форме и конфигурацию отливки. Одновременно в ковше чугун обрабатывали ферросилицием ÜC 75 в количестве 0.82 от массы расплава. При температуре 1370 - 1380 °С из ковша вместимостью 1 т з^-лвали две отливки типа "задвижка" массой около 350 кг и с преобладающей толщиной стенки 401 мм. На каждой стадии подготовки расплава отбирали пробы для химанализа. После выбивки и дробеструйной очистки внешний осмотр отливок показал отсутствие внешних дефектов, качество поверхности такое же,' как и по существующей технологии. Из фланцев задвижки были вырезаны образцы для определения конечного химсостава, механических свойств и структурных исследований. В структуре отливок получен шаровидный графит баллов ШГф4-ШГф5 по ГОСТ 3443-87. Количество перлита составляет 60%, феррита - 40%, ледебурит в структуре полностью отсутствует. Средние значения механических свойств ЧШГ составили: "бв-490-520 МПа,твердость 210-223 НВ.

При опытно-промышленном опробовании нового технологйческого процесса в центральной исследовательской металлургической лаборатории (г.Каир АРЕ) отливалась партия опытных отливок "фитинг" в количестве 10 шт. массой 15-20 кг с толщиной стенки 10-15 мм. Выплавку осуществляли в высокочастотной индукционной печи вместимостью 100 кг. Состав шихты: чугун Sorel - 40%, Хелуанский чугун - 10%, возврат - 50Z. Расплав перегревали до температуры

1440 -1460°С и перемешивали в течении 2-3 минут. Модифицирование чугуна осуществляли методом типа "Флотрет" силикомагниевой лигатурой с 4-6% Мг. В отливках была получена структура чугуна с шаровидным графитом ИГф5 по ГОСТ 3443-87,' содержание перлита составило 70-80%. Получены механические свойства: бв» 520-550 МПа, твердость 217-235 НВ.

Двухстадийная обработка позволила использовать более дешевые шихтовые материалы. В процессе обработки использовалось обо-рудоваше, имеющееся в цехах, для работы не привлекались дополнительные устройства и приспособления. При вводе РЗМ в печь не наблюдалось выбросов металла, пироэффекта и выделения дыма.

Предварительная оценка экономического эффекта показала, что применение нового технологического процесса позволит снизить стоимость отливок на 5-7 X.

ВЫВОДЫ

1. Разработан технологический процесс двухстадийного сферо-идизирующего модифицирования расплавов, выплавленных с использованием местных более дешевых нттовых материалов, и обеспечивающий получение заданного уровня свойств в отливках из высокопрочного чугуна.

2. Определены реальные скорости охлаждения расплава чугуна в зависимости от толщины стенки отливки и предложены соответствующие зависимости. Расчет процесса охлаждения расплава в песчаной форме на ЭВМ позволил учесть влияние на Уохл ряда технологических параметров (теплопроводность материала формы,температура перегрева и др.).

3. Выявлено совместное влияние Се.Мг и скорости охлаждения на формирование структуры чугуна. Показано, что с увеличев*:-?1 скорости охлаждения оптимальные количества Се и Мг, обеспечиойо-щие формирование шаровидного гранита значительно уменьшаются.

Получены уравнения, связывающие количества церия, магния и скорости охлаждения. Показано, что при высоких скоростях охлаждения (150°С/мин) для получения шаровидного графита необходимо вводить практически одинаковые (с учетом усвоения) количества церия и магния.

4. Установлено,что увеличение концентрации марганца в рзсп лаве существенно влияет на параметры кристаллизации чугунов, снижает температуры ' начала выделения первичного гранита и конца кристаллизации, вызывает измельчение графита, что объясняется уменьшением коэффициентов активности и диффузии углерода в расплаве чугуна.

5. Показано, . что образование сульфидов марганца происходит в процессе кристаллизации чугуна, они располагаются в основном по границам эвтектических колоний и не являются подлодками для зарождения грйфита.

6. Уточнены условия образования карбидов марганца в чугуне. Показано, что при реальных концентрациях марганца и углерода образование самостоятельных карбидов МпзС невозможно.

7. Установлено, что наличие в сплавах Мп усиливает воздействие церия и магния на кристаллизацию сплавов. Шаровидный графит в Ре-С сплавах, содержащих марганец, формируется при меньших количествах церия по сравнению с чистыми сплавам^. Механизм влияния Мп на эффективность обработки чугуна' Се или Мг связан с уменьшением активности элементов в расплаве, так как химические

соединения марганца с церием и магнием не образуются.

8. Выявлена роль фосфора в формировании структуры чугуна. Показано, что присутствие Р изменяет параметры кристаллизации Ге-'с сплавов, вызывает увеличение размеров гранита от 15-30 до 00-120 мкм, что обусловлено его накоплением вблизи фронта кристаллизации и увеличением коэффициентов активности и диффузии углерода в расплаве.

9. Показано; что обработка церием сплавов, содержащих фосфор, влияет на критические точки Кристаллизации и изменяет морфо- -логию и характер распределения фосфидов в чугуне. Это позволяет использовать для получения расплава ВЧ шихтовые материалы с по-

I

вышенным содержанием фосфора.

10.Установлено, что фосфиды церия не являются подложками для зарождения графита, они образуются в процессе кристаллизации л располагаются в виде глобулярных изолированных включений по границам эвтектических колоний.

11.Подтверждено, что образующиеся в расплаве при сфероиди-зирующей обработке сульфиды РЗМ являются подложками для гетерогенного зарождения графита в промышленных чугунах, о чем свидетельствуют результаты микрорентгеноспектрального анализа.

12.Опытно-промышленное опробование показало, что разработанная альтернативная технология двухстадийного сфероидизирукнце-го модифицирования позволяет частично заменить дорогостоящие импортируемые шихтовые материалы на более дешевые местные, что приводит к снижению стоимости отливок при сохранении, а в некоторых случаях, повьшении эксплуатационных характеристик.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ра-гах:

1. S.A.Azzam.L.Ya.Kozlov.A.P.Vorobyev.A.Faiimy.Role of Imputes and rare earth metals In the formation of the structure ductile Iron.//60th World foundry congress,1993,the Hai, Exchange paper N 41.

2. Игнатенко H.В., Салах Азэам, воробьев А.П. Определение мчества PSM для сферовдизацяи графита в чугуне.// Иав. ву-

Черная металлургия. - 1993.-N7.-о.76-77.

3. S.A.Azzam.L.Ya.Kozlov.A.P.Vorobyev.A.Faiwy, Role of lmpu-les and rare earth metals In the formation of the structure ductile lrcn.//Al-Sebaka(The Egyptian foundrymen's society aslne).-1994.-N53.-p.49-59.

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ Ленинский проспект, д.4

Заказ 25? Объем 1ДЛ«>л уирах 400

Типография ШСиС, Орджоникидзе 8/в