автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и практическое применение технологических решений для повышения механических свойств чугунных отливок

На правах рукописи

Случов Павел Анатольевич

РАЗРАБОТКА II ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 0КТ 2015

005563952

Нижний Новгород - 2015

005563952

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коровин Валерий Александрович

Официальные оппоненты: Дибров Иван Андреевич

доктор технических наук, профессор

Российская ассоциация литейщиков (Общероссийская

общественная организация) (г. Москва), президент

Зиновьев Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО НГТУ им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород), доцент кафедры «Машиностроительные технологические комплексы»

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский

технологический университет «МИСиС» (г. Москва)

Защита состоится «22» декабря 2015 г. В 1222 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу:

603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1313

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» и на сайте http,,//\».'ww.iintu.ru/sites/derault/filcs/file/dissertacii/2015/clvzov р a.pdf

Автореферат разослан « 20 » октября 2015 г.

Ученый секретарь ^----—-ч

диссертационного совета'^^^ Пачурин Герман Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие машиностроительной отрасли неразрывно связано с использованием литых заготовок. В условиях современного производства с каждым годом повышаются требования к рабочим деталям машин, это обуславливает необходимость разработки и внедрения эффективных технологических приемов, обеспечивающих получение качественных отливок с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Данный аспект очень важен в производстве отливок из серых и высокопрочных чугунов, которые используются для получения деталей различного назначения, в том числе для изготовления комплектующих трубопроводной запорной арматуры.

В наши дни базовым содержанием понятия «качество отливок» становится стабильность получения литой структуры чугуна, обеспечивающей комплекс требуемых механических и эксплуатационных свойств, при относительно низкой себестоимости. На протяжении многих лет в центре внимания исследователей находится проблема создания и внедрения в производство эффективных способов получения литых чугунов, обладающих повышенными механическими свойствами.

Большой вклад в разработку технологий получения чугунных отливок внесли российские ученые: H.H. Александров, К.Н. Вдовин, Н.Г. Гиршович, И.А. Дибров, A.A. Жуков, Е.В. Ковалевич, В.И. Колокольцев, Г.А. Косников, A.A. Рыжиков и др.

Фундаментальные работы этих ученых являются основой для разработки и внедрения в производство эффективных технологических решений, позволяющих получать отливки из чугуна с высокими физико-механическими свойствами и повысить их качество.

Однако применительно к производству литья из серого и высокопрочного чугунов недостаточно проработана связь обработки расплава карбонатами при модифицировании по «сэндвич - процессу» и модифицировании порошковой проволокой с другими технологическими параметрами процесса, а также со свойствами и микроструктурой полученных изделий.

Цель работы

Разработка технологических решений, позволяющих обеспечить повышение механических и эксплуатационных свойств ответственных отливок, используемых в условиях низких температур и знакопеременных нагрузок, используя процессы комплексного модифицирования и микролегирования.

Для достижения поставленной пели решались следующие задачи:

— исследование технологических процессов получения отливок из серого и высокопрочного чугуна, анализ особенностей данных сплавов и разработка рекомендаций по их совершенствованию;

— исследование процессов получения чугуна с использованием промышленных отходов, разработка технологических приемов направленных на повышение механических свойств и показателей качества отливок, используя методы внепечной обработки расплава, основанные на принципах рафинирования, модифицирования и микролегирования;

— изучение и систематизация данных по качественному и количественному влиянию обработки расплавов различных марок чугунов карбонатами редкоземельных (РЗМ) и щелочноземельных (ЩЗМ) элементов на механические свойства и микроструктуру отливок;

— исследование механизмов формирования микроструктуры высокопрочных чугунов, з зависимости от способов модифицирования и подготовки расплава, изучение их влияния на механические свойства отливок, подготовка рекомендаций по составам модифицирующих смесей с использованием методов математического планирования;

— сбор и систематизация данных по комплексному модифицированию высокопрочных чугунов мелкодисперсными смесями карбонатов редкоземельных и щелочноземельных элементов, изучение особенностей формирования структуры отливок в зависимости от способа модифицирования и применяемых плавильных агрегатов;

— разработка, на основе результатов исследования, технологических решений для получения отливок из серого и высокопрочного чугуна, позволяющих повысить их механические свойства;

— внедрение результатов исследований и разработок в действующее производство.

Научная новизна работы

1. Установлена зависимость механических свойств серого чугуна от состава комбинированных брикетов при плавке в газовой вагранке с использованием технологии рециклинга, показана возможность восстановления элементов из оксидов, содержащихся в них.

2. Проведен анализ и научное обоснование процессов комплексного модифицирования расплавов серого и высокопрочного чугуна карбонатами кальция, бария, натрия и стронция при использовании их в виде мелкодисперсных модифицирующих смесей в различных соотношениях.

3. Установлена закономерность положительного влияния карбонатов на стабильность формирования структуры высокопрочных чугунов с шаровидным графитом при ковшевом модифицировании расплавов, полученных в индукционной печи и в газовой вагранке, обеспечивающая повышение механических свойств чугуна (ВЧ-60 и выше).

4. Установлена математическая зависимость, позволяющая определить влияние соотношения компонентов модифицирующих присадок на механические свойства получаемых отливок при модифицировании карбонатной смесью.

5. Выявлены закономерности влияния разработанных модифицирующих составов при использовании в технологических процессах модифицирования и микролегирования серых и высокопрочных чугунов. Установлено, что их применение позволяет получить более высокие механические свойства отливок.

6. Определена зависимость процессов формирования структуры различных марок чугунов от методов модифицирующей обработки расплава и используемых в технологическом процессе плавильных агрегатов.

7. Разработаны технологические решения, позволяющие управлять формированием микроструктуры серых и высокопрочных чугунов при использовании разработанных составов модификаторов в процессе ковшевого модифицирования методом «сэндвич - процесса», а также при использовании трайб - аппарата.

Практическая значимость п реализация результатов работы

Работа расширяет представление о технологическом процессе модифицирования при получении отливок из серого и высокопрочного чугуна с использованием карбонатов и передовых методов сфероидизирующей обработки расплава, к которым относятся модифицирование по «сэндвич - процессу» и обработка порошковой проволокой с использованием трайб - аппарата. Установлено, что за счет комбинирования параметров в приводимых технологических решениях, повышаются механические свойства, а также качественные показатели отливок. Подготовлена математическая модель процесса предсфероидизирующего модифицирования составами на основе карбонатов, для стабилизации и повышения механических свойств высокопрочного чугуна.

Разработана и реализована в производственных условиях ресурсосберегающая технология выплавки чугуна в газовой вагранке с использованием металлургического брикета, содержащего производственные отходы литейных цехов.

Результаты работы опробованы и внедрены на ОАО «Семеновский литейно - механический завод» (г. Семенов Нижегородской области), на ООО «МЕТМАШ» (г. Бор Нижегородской области) с общим экономическим эффектом 1954 тыс. руб., а также в учебный процесс ФГБОУ «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород) при подготовке бакалавров по направлению 15400.62 - Металлургия, профиль «Технология литейных производств».

Методология и методы исследования

Работа выполнена с использованием современных методов исследования химического состава, механических свойств отливок, микроструктур применяемых сплавов, а также математического планирования экспериментов.

Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей влияния температурных параметров плавки и заливки, состава и количества модификаторов, способов металлургической обработки расплавов на формирование микроструктуры, механические и качественные показатели отливок из серого и высокопрочного чугуна.

На защиту выносятся следующие положения:

- результаты исследования процесса плавки чугуна в газовой вагранке при использовании брикетов, содержащих промышленные отходы металлургических производств, установление количественных параметров их состава;

- результаты исследования влияния карбонатов и их мелкодисперсных смесей при обработке расплавов чугуна на структуру и механические свойства получаемых отливок;

- результаты исследования процесса сфероидизирующей обработки расплава после предварительной подготовки металла при получении отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом;

- результаты математического моделирования и экспериментального исследования зависимости состава модификаторов на механические свойства высокопрочного чугуна;

- технологические решения получения отливок из серого и высокопрочного чугуна, с использованием запатентованного модифицирующего состава при различных способах металлургической обработки расплава.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность экспериментальных данных, выводов и рекомендаций основывается на использовании современных методов и методик исследования металлических сплавов, применении современного оборудования и приборов, использования математического планирования и статистики. Эффективность предлагаемой технологии подтверждается результатами промышленных испытаний и их внедрением в производство.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на б - й Международной научно - практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». Москва 24 - 28 октября 2011г.; на 9-й Международной научно - практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра». Санкт-Петербург 20-22 июня 2012 г.; на 11 съезде литейщиков России. Раздел I «Черные сплавы. Чугун» Екатеринбург 16 - 20 сентября 2013 г.; на 12 съезде литейщиков России. Раздел I «Черные сплавы. Чугун» Нижний Новгород 8-10 сентября 2015 г.

Публикации

Результаты диссертационной работы отражены в восьми публикациях в виде статей в рецензируемых журналах и материалах конференций, в том числе в четырех статьях, опублико-

ванных в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в двух патентах на изобретение.

Личный вклад автора

В диссертационную работу вошли результаты теоретических и экспериментальных исследований выполненных автором. Ему принадлежит научная постановка задач исследования, проведение опытных плавок, исследование технологического процесса получения отливок из серого и высокопрочного чугуна. Эти исследования были направлены на определение модифицирующих составов на основе карбонатов, рациональных способов модифицирования жидкого чугуна, изучение микроструктуры и механических свойств полученных отливок. В результате обработки и анализа полученных результатов, автором были сформулированы основные выводы. Автор принимал участие в апробации результатов, в промышленном опробовании и внедрении технологий в действующее производство.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 3 — «Исследование влияния обычных, нано-модифицирующих, электрических, магнитных, механических и других видов обработки на свойства расплавов, отливок и литейных форм», а также пункту 11 — «Ресурсосбережение в литейном производстве» паспорта специальности 05.16.04 — Литейное производство.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 166 страницах, содержит 34 таблицы, 44 рисунка. Список литературы составляет 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен информационно - аналитический обзор состояния вопроса, в частности, рассмотрены аспекты, касающиеся технологии получения отливок из серых и высокопрочных чугунов в зависимости от применяемого плавильного оборудования и методов металлургической обработки расплава. Установлено, что показатели качества и механических свойств чугунных отливок напрямую зависят от условий формирования структуры металлической матрицы. В этой связи, основными недостатками чугунов как конструкционных материалов являются следующие факторы:

- наличие неметаллических включений (С, Р, 8), которые при кристаллизации образуют зоны ликвации и склонность к образованию структур, ослабляющих металлическую матрицу, что отрицательно влияет на их механические свойства;

- необходимость введения в ряде случаев дополнительных технологических операций, таких как термическая обработка, что значительно увеличивает время изготовления литых заготовок и, как следствие, повышает себестоимость производства;

- значительное изменение структуры и свойств в зависимости от концентрации основных графитизирующих элементов (С, БО, требующих высокого уровня технологической дисциплины в процессе плавки;

- низкие показатели значений предела текучести и пластичности, особенно при эксплуатации в условиях отрицательных температур.

Решение вопросов повышения качества чугунного литья неразрывно связано с жидко-фазными методами обработки расплава. К ним относятся рафинирование, модифицирование и микролегирование, которые влияют на чистоту расплава, изменение условий кристаллизации, строение пограничных зон и объема зерна, получение однородной структуры и т.п.

Поиск информации и анализ полученных результатов свидетельствуют о том, что наибольшим потенциалом обладают комплексные методы модифицирующей обработки расплавов.

Во второй главе приведено описание использованного в работе экспериментального и аналитического оборудования, методологического обеспечения, материалов и образцов.

Плавки чугунов производились с использованием газовых вагранок производительностью Зт/ч производства ООО ППФ "Газпроектсервис" (г. Пенза), а также в индукционных печах УИП 400 производства ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург). Контроль температуры металла осуществлялся посредством термопары погружения ТЦП - 1800П производства ЗАО «Техно-центрприбор».

Ввод модифицирующих присадок осуществлялся в чайниковые ковши объемом 150200 кг. по «сэндвич - процессу», а также с использованием трайб - аппарата.

Определение химического состава чугунов осуществлялось: по ГОСТ 2604.5 - 84 «Чугун легированный. Метод определения марганца»; ГОСТ 22536.4 - 88 «Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения кремния»; ГОСТ 2604.4 - 87 «Чугун легированный. Методы определения фосфора»; ГОСТ 2604.6 - 77 «Чугун легированный. Методы определения хрома». Содержание углерода и серы - с помощью экспресс - анализатора «Метавак СБЗО», производства ООО НПО «Эксан», (г. Ижевск). Остальные элементы определялись методами атомной эмиссионной спектрометрии МФС - 8 и ДФС - 500 на ООО «МЕТМАШ» (г. Бор).

Испытания на механические свойства производились в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Для испытания на разрыв использовали универсальную разрывную машину нагрузкой 10 тс, типа УММ-10 ГОСТ 28840-90.

Измерение твердости (по шкале Бринеля) проводилось согласно ГОСТ 9012-59 «Метал-

лы. Метод измерения твердости по Бринеллю», устанавливающему последовательность и условия проведения измерения твердости.

Металлографические исследования проводили при различных увеличениях на микроскопе МЕТАМ РВ - 22, изготовленного фирмой ОАО «LOMO». Оценку полученной структуры чугуна проводили по ГОСТ 3443 - 87 с использованием программного обеспечения NEXYS Image Expert™ Sample 2, разработанного ООО «Новые Экспертные Системы» (г. Санкт - Петербург).

Третья глава посвящена изучению влияния карбонатов редкоземельных (РЗМ) и щелочноземельных (ЩЗМ) элементов на микроструктуру и механические свойства серых чугунов. Проведены экспериментальные работы по использованию комбинированных брикетов в составе шихты на опытных плавках в условиях ОАО «Семеновский литейно - механический завод».

С целью возврата вторичного железосодержащего сырья в производственный цикл была изготовлена опытно - промышленная партия брикетов, в состав которых входила чугунная, стальная стружка и металлическая пыль системы газоочистки дуговых печей. С использованием в составе шихты до 30% данных брикетов, были проведены экспериментальные работы по выявлению взаимосвязи между составом брикетов и механическими свойствами отливок из серого чугуна. Таким образом, в производственных условиях была доказана возможность переработки мелкофракционных текущих и отвальных металлургических отходов.

Однако учитывая особенности формирования структуры металлической матрицы серых чугунов были выявлены несоответствия связанные с излишней замутненностью расплава, влияющей на процесс графитизации. В этой связи становится актуальным вопрос о повышении качества отливок в результате применения жидкофазных технологий металлургической обработки расплава, включающих в себя рафинирование, микролегирование и модифицирование.

Исследование технологий комплексного модифицирования было основано на применении модифицирующих составов на основе карбонатов кальция, бария, натрия и стронция. Модифицирующие составы, использованные в экспериментальных плавках, представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Составы для модифицирования серого чугуна

Партия Содержание компонентов модификатора из расчета 0,5% от объема

СаСОз ВаСОз SiCO, Na2COj

1 0,32 - 0,32 0,32

2 0,32 0,32 - 0,32

3 - 0,32 0,32 0,32

4 0,32 0,32 0,32 -

На основании проведенных экспериментальных работ были получены практические подтверждения теоретических основ методов модифицирующей обработки жидких чу-гунов, проанализированных в 1 и 3 главе диссертации, а также установлена целесообразность применения карбонатов РЗМ и ЩЗМ в качестве модифицирующих присадок. На рисунке I представлены фотографии микрошлифов на образцах после механических испытаний.

а б

Рисунок 1 - Влияние составных модификаторов на микроструктуру отливок (х100): я-до модифицирования; 6 -после модифицирования

На отливках из партий после модифицирования было отмечено повышение предела прочности на разрыв и уменьшение поверхностного отбела до 40 - 50%, что подтверждается приведенными сравнительными характеристиками, представленными на рисунке 2.

СаСО^+ СлСОЗ* 5гСОЗт 5гСОЗ+ ЪгСОЭ-т ВзСОЗ* ВлСО3* ВлСОЗ* N32003 N¿2003 Г*а2СОЗ СаСОЗ

0 Предел прочности на растяжение, МПа Образцы,залитые без модифицирующей обработки ■ Предел прочности на растяжение, МПа Образцы,залитые с модифицирующей обработкой

■Твердость, НВ Образцы.зэлитые без модифицирующей обработки

■ Твердость, НВ Образцы,ззлитые с модифицирующей обработкой

Рисунок 2 - Механические характеристики образцов из экспериментальных плавок

В результате исследований сформулированы следующие выводы:

- установлено, что ввод в расплав модифицирующих смесей карбонатов РЗМ и ЩЗМ позволяет осуществлять активное воздействие на формирование микроструктуры металлической матрицы;

- использование карбонатов, которые в жидких металлах претерпевают термическую диссоциацию с образованием большого количества рафинирующих высокодисперсных газовых пузырьков СОг, позволяет, помимо модифицирования, эффективно очищать расплав от неметаллических включений;

- применение инокулянтов позволяет значительно (до 40 - 50 %) сократить вероятность

формирования в отливках поверхностного отбела, кроме того, увеличение количества графитовых включений и уменьшение их размеров значительно облегчают механическую обработку деталей, при этом механические свойства сохраняются, а в ряде случаев увеличиваются;

— применение комплексных модифицирующих составов позволяет совместить рафинирующее и модифицирующее воздействие, что вызывает усиление графитизирующей способности.

Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию технологий, обеспечивающих повышение качества отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) в результате предсфероидизирующей обработки базовых расплавов. В ней рассматриваются некоторые теоретические аспекты кристаллизации чугуна, позволяющие расширить представления об этом процессе и уточнить взаимосвязь факторов, влияющих на формирование структуры металлической матрицы, для обеспечения управляемости процессом затвердевания отливки. Получена математическая модель процесса предсфероидизирующего модифицирования карбонатной смесью, позволяющая спланировать и обеспечить полный факторный эксперимент.

Изучение особенностей ВЧШГ позволило установить, что разработка технологических процессов, предотвращающих образование эвтектических карбидов, является наиболее оптимальным вариантом получения отливок из данного материала. Как правило, эти технологии базируется на очистке металла от примесей и технологии модифицирования. При этом результаты модифицирования находятся в прямой зависимости от склонности базового чугуна к метаста-бильному затвердеванию, которое определяется составом расплава и типом модификатора.

Подбор составов и типа модификаторов был основан на изучении механизмов взаимодействия РЗМ и ЩЗМ с жидким металлом на примере бария. Общее уравнение константы равновесия плавления бария в железе, в котором функции для растворенного бария представлены как разность между растворенным состоянием и стандартным выглядит следующим образом: Кв, = + М[Ва],-/. / Т+ Ы[Ва]«% + 1,137Мо, (1)

где, Т — температура жидкого расплава, в который вносится присадка бария;

Мо - температурная функция, используемая при расчетах равновесия хим. реакций;

М[ва]х% — расчетная функция от изменения энтальпии;

1^[ва]х% - суммарная функция от изменения энтропии системы.

Расчетные функции от величин изменения энтальпии, энтропии и теплоемкостей (М, N и ДСр), могут быть использованы для практических целей как поправочные коэффициенты к расчету взаимодействия чистых веществ, а также для расчетов равновесия реакции взаимодействия растворенного бария с примесями железоуглеродистых расплавов.

Таким образом, было установлено, что при подборе состава модифицирующих присадок

целесообразно использовать элементы, сходные по составу и свойствам. В этом случае есть возможность, запуская одни и те же механизмы при помощи разных элементов, сравнивать эффективность их воздействия и комбинируя различные варианты соотношений, подбирать оптимальные варианты модифицирующих составов.

Заключительным этапом теоретической подготовки экспериментов по модифицированию высокопрочных чугунов с целью повышения их механических характеристик стала подготовка математической модели процесса инокулирующей обработки базового расплава.

Под математической моделью процессов модифицирования, как правило, понимается уравнение, связывающее параметр оптимизации и факторы, влияющие на процесс. Функция в этом случае представляется в виде степенного ряда:

у=/(х1,х2,..хк) (2)

где у — параметр процесса, подлежащий оптимизации; Х|,Х2,...хк - независимые переменные.

Математическая модель, полученная на основе опытов, выглядит следующим образом:

.V = Ь„ + ЕР=1 Ь(х, + ЕГ=1 ¿¡уХ,Ху + £Г=1 ЬцХ? +..........(3)

где у — значение выхода, предсказанное уравнением; Ьо, Ь„ Ьч, Ьц ,...- вычисленные коэффициенты регрессии; х, - факторы, влияющие на у.

В общем случае эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов, называется полным факторным экспериментом (ПФЭ).

Эксперименты с тремя независимыми переменными х/, Х2, х;, варьируются только на двух уровнях. Матрица планирования представлена в таблице 2

Таблица 2 - Матрица планирования ПФЭ

№ опыта Кодированные значения переменных Численные значения переменных Параметры оптимизации

?с Э Й %. •§■ Серия 1, СаСО, Серия 2, №2СО, ВаСО, СаСО, (ТМадСО,) БгСО} ВаСО, вес,% СаСО, (Ка2СО,) вес,% БгСО, вес,% Мпа У1 5, У2

1 5 8 - - - 0,12 0,05 0,12 396 6

2 6 4 + - - 0,32 0,05 0,12 460 7,8

3 2 5 - + - 0,12 0,11 0,12 402 7

4 8 2 + + - 0,32 0,11 0,12 466 8,5

5 4 6 - - + 0,12 0,05 0,32 435 7

6 7 3 + - + 0,32 0,05 0,32 470 8

7 3 1 - + + 0,12 0,11 0,32 445 7,3

8 1 7 + + + 0,32 0,11 0,32 438 7,6

основной уровень 0,22 0,08 0,22 450 7

уровень варьирования 0,1 0,03 0,1

ПФЭ обладает тремя важными свойствами:

£2=1*,и = 0; £2=1 х?и = Ы; = 0; (4)

где / - номер фактора (/ = 1,2,... ,к);Ы—число опытов;

Используя метод наименьших квадратов и эти три свойства, вычисляются коэффициенты регрессии математического уравнения по формуле:

к _£»=1 у» (5)

~ N * '

Математическая модель зависимости значения предела прочности на растяжение от состава лигатуры на основе РЗМ в процессе модифицирования чугуна тройными системами выглядит следующим образом:

У/ = Ь„+Ь1Х1+Ь2Х2+Ь)Х3+ Ь,2х,х2+ Ъ,&,Х1 + Ь21Х2Х} (6)

Математическая модель зависимости значения относительного удлинения выглядит следующим образом:

У2 = <¡<1+ "1X1+112X2+03X1+ (¡12X1X2+ ацх/хз + а23х2х3 (7)

После подстановки коэффициентов регрессии, уравнения ПФЭ (5 и 6) будут выглядеть следующим образом:

{у, = 439+ 19.5х, + 1,25 х2 +8.75х, + 5,25х,х2 + П,75х1х1 +3,5 х2 X] ^

у2 = 7.4+ 2,325x1+ °-2х2 + °'(>75 х, + 0,125х,х2 + 0,25х,х1 +0,225 х2х}

После подстановки значений Х|,Х2,...Х, рассчитываются значения параметров оптимизации при помощи уравнений (8).

Полученные уравнения параметров оптимизации показывают, что наибольшее влияние на повышение механических свойств отливок оказывает карбонаты бария (Х|), стронция (хз) и их смесь (XI хз). Влияние карбонатов кальция и натрия (хг) на прочностные характеристики незначительно, однако учитывая их рафинирующее воздействие на расплав, которое в данной математической модели не показано, данные элементы целесообразно использовать в качестве элементов, усиливающих модифицирующий эффект для обеспечения комплексности.

Пятая глава посвящена отработке технологий инокулирующей обработки высокопрочных чугунов, и внедрению их в производство.

Технология предсфероидизнрующей обработки базового расплава осуществлялась на сериях плавок чугуна в индукционных печах и в газовых вагранках. В качестве сфероидизирую-щей присадки использовались модификаторы серии СФЕРОМАГ ® 600 производства Компании НПП (г. Челябинск). Модифицирование базового расплава осуществлялось методами «сэндвич - процесса», а также при использовании трайб - аппарата порошковой проволокой ФСмг 18 производства ООО «УВЗ Ферросплав» (г. Нижний Тагил).

Составы модификаторов и зависимость изменения механических свойств отливок в процессе эксперимента представлены на рисунках 3 и 4.

а б

Рисунок 3 - Результаты работ первой серии экспериментов: а - состав и схема введения модификаторов, б - изменение механических свойств чугуна в зависимости от состава модификаторов.

а б

Рисунок 4 — Результаты работ второй серии экспериментов: а - состав и схема введения модификаторов; б - изменение механических свойств чугуна в зависимости от состава модификаторов.

На рисунке 5 представлены фотографии микрошлифов отливок из высокопрочного чугуна, полученного по технологии «сэндвич - процесса» из первой серии эксперимента с использованием предсфероидизирующего инокулирования (б) и без него (а).

а б

Рисунок 5 - Микроструктура отливок первой серии эксперимента (хЮО): а - образец без модифицирования; б — образец модифицированный составом ВаСОз=81СОз.

Изучение особенностей технологии модифицирующей обработки расплава порошковой проволокой осуществлялось на индукционных плавках синтетического чугуна с использованием ковшей малой емкости до 200 кг. Ввод порошковой проволоки производился с помощью од-норучьевого трайб - аппарата собственного производства.

Определяющими факторами при модифицировании порошковой проволокой являются температура металла, расход проволоки, а также технологические приемы металлургической подготовки расплава (рафинирующая, инокулирующая и графитизирующая обработки).

Основной задачей экспериментальных работ являлось определение оптимальной температуры и количества модификатора, с этой целью была произведена серия плавок с различными вариантами технологических параметров.

На рисунке 6 представлены фотографии микрошлифов отливок полученных в процессе экспериментальных работ.

а б в

Рисунок 6 - Морфология графита в чугуне ВЧ 40 - 60 (х100): от - образец № 4 (без инокулирующей обработки), нетравленый шлиф; б- образец № 9 (СаСОЗ+ ВаСОЗ+РеБО, нетравленый шлиф; в - образец № 9 травленый шлиф.

Следует отметить, что отливки, полученные с применением предсфероидизирующей обработки карбонатами, обладали значительно более высокими показателями по механическим свойствам — 630 МПа у образца № 9, против 400 МПа у образца №4.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что проведенная в оптимальном режиме предсфероидизирующая обработка расплава карбонатами и сфероидизирую-щая обработка порошковой проволокой позволяют значительно повысить механические свойства при улучшении структуры и обеспечивает стабильность модифицирующего эффекта при сокращении расхода вводимой магниевой лигатуры в виде порошковой проволоки.

Отработка технологии получения ВЧШГ в газовой вагранке производилась на серийных плавках высокопрочного чугуна, модифицированного по «сэндвич-процессу» в условиях литейного производства ОАО «Семеновский литейно - механический завод». Данные по химическому составу и температуре заливки металла после модифицирования приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Химический состав и температура заливки металла.

Время Содержание элементов, % по массе Температура заливки, "С

С 81 Мп 8 Сг

341500-001Л «Гайка строительная»

7:00 3,92 2,20 0,50 0,04 0,04 1320

7:20 4,13 0,01 1330

ЛГТИ 01.007020«Корпу с Ду 100 Ру16»

15:30 3,90 1,82 0,58 0,07 0,03 1360

Таблица 4 — Механические свойства образцов.

Образец Твердость, НВ Предел прочности на растяжение — ст„ МПа Относительное удлинение - 8, %

7:00 170 573 4,124

9:30 170 583 4,021

15:30 229 522 3,09

На фотографиях, представленных на рисунке 7, видно, как изменяется строение металлической матрицы чугуна в зависимости от технологии модифицирования, химического состава и температуры базового чугуна.

а б в

Рисунок 7 — Микроструктура ваграночного чугуна ВЧ 50, нетравленый шлиф, (хШО)

а - деталь 341500-001Л «Гайка строительная» модифицированная по «сэндвич - процессу»; б-деталь 341500-001Л «Гайка строительная» модифицированная по «сэндвич - процессу» с предварительной инокулирующей обработкой расплава модифицирующим составом на основе карбонатов Са, Ва, Бг; в-деталь ЛГТИ 01.007020, «Корпус Ду 100 Ру16» модифицированная по «сэндвич - процессу» при содержании серы в чугуне 0,07%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты работы расширяют представления о технологическом процессе модифицирования при получении отливок из серого и высокопрочного чугуна. Установлено, что за счет обработки расплава карбонатами повышаются механические свойства и качество отливок.

2. Показано, что при использовании в шихте газовой вагранки комбинированных брикетов с долей до 30 % промышленных отходов обеспечивается восстановление оксидов. В результате внедрения данной технологии достигнуто снижение себестоимости металлозавалки на 1,35 %. Годовой экономический эффект составил 1137700 рублей. Использование данной технологии защищено патентом.

3. Установлено, что применение мелкодисперсных карбонатных смесей для пред-сфероидизирующей обработки расплава в количестве 0,15+0,7 % способствует стабилизации модифицирующего эффекта, при этом снижается расход магниевого модификатора на 30% и повышаются механические свойства отливок из высокопрочного чугуна на 30%.

4. Установлено, что использование карбонатов способствует измельчению структуры и формированию графитовых включений округлых форм независимо от методов металлургической обработки расплава (ШГф1 -ШГф5 до и после модифицирования соответственно).

5. С использованием методов математического планирования установлено, что смесь карбонатов в соотношении 0,05% СаСОз +0,32% ВаСОз +0,32% БгСОз в качестве модифицирующего состава для комплексной внепечной обработки расплавов, обеспечивают наиболее эффективное повышение механических свойств чугунов.

6. С использованием полученных результатов разработаны технологические решения по совершенствованию рафинирующей и модифицирзтощей обработки расплавов, обеспечивающие повышение механических свойств отливок. Экономический эффект от использования данных технологий в производствах ОАО «J1M3» и ООО «МЕТМАШ» составил 816680 руб. Модифицирующая мелкодисперсная смесь карбонатов, использованная при реализации решений, защищена патентом.

7. В производственных условиях разработана и внедрена прогрессивная технология получения высокопрочного чугуна марки ВЧ 60 из газовой вагранки, при модифицировании по «сэндвич - процессу», а также при использовании трайб - аппарата. Экономический эффект от использования данной технологии в условиях производства ОАО «ЛМЗ» составил 359880 рублей.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации

1. Коровин, В.А. Рециклинг металлургических шламов в литейно-металлургическом комплексе / В.А. Коровин, И.О. Леушин, C.B. Беляев, В.К. Седунов, П.А. Слузов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - №4. — С.8 - 10.

2. Коровин, В.А. Карбонаты как универсальная рафинирующе - модифицирующая смесь для чугуна и медных сплавов / В.А. Коровин, И.О. Леушин, О.В.Токарникова, Т.Д. Кури-лина, П.А. Слузов// Литейщик России.-2014,-№ 8.-С. 16-21.

3. Слузов, П.А. Прогрессивная технология модифицирования высокопрочного чугу-на/П.А. Слузов, В.К. Седунов, В.А. Коровин, И.О. Леушин//Черные металлы. -2014.-№11. -С. 15- 18.

4. Слузов, П.А. Совершенствование процесса модифицирования высокопрочного чугуна / П.А. Слузов, В.К. Седунов, В.А. Коровин, И.О. Леушин // Литейщик России. — 2015. - № 7. -С. 9-12.

Научные статьи, опубликованные в материалах Международных, Всероссийских и межрегиональных конференций

5. Коровин, В.А. Исследования возможных вариантов переработки металлургических отходов. / В.А.Коровин, И.О.Леушин, С.В.Беляев, О.В.Токарникова, В.А.Ульянов, В.К.Седунов, П.А. Слузов // Литейное производство сегодня и завтра: Труды 9-й Международной научно-практической конференции. — СПб., 2012. — С. 118 -120.

6. Леушин, И.О. Возможности ресурсосбережения в практике промышленной эксплуатации вагранки. / И.О. Леушин, В.А. Коровин, П.А. Слузов, В.К. Седунов, И.В. Гейко // Про-

грессивные литейные технологии: Труды VII Международной научно-практической конференции. -М.: НИТУ МИСиС, 2013.-С. 335 -337

7. Коровин, В.А. Совершенствование процесса модифицирования серых ваграночных чугунов. / В.А.Коровин, И.О.Леушин, И.Е.Илларионов, В.К.Седунов, П.А. Слузов // Черные сплавы. Чугун: Труды 11 съезда литейщиков России. Раздел I. - Екатеринбург, 2013. - С. 42-46.

8. Слузов, П.А. Повышение качества чугунов в процессе модифицирования и микролегирования. / П.А. Слузов, В.К. Седунов, И В. Гейко, И.О. Леушин, И.Е. Илларионов // Литейное производство сегодня и завтра: Труды 10-й Международной научно-практической конференции. — СПб.: Издательство политехнического университета, 2014. — С. 156 - 161.

Патенты на изобретение

9. Пат. 2549029 Российская Федерация, Брикеты для металлургического производства / Коровин В.А., Леушин И.О., Дубинин С В., Седунов В.К., Слузов П.А.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Литейно-механический завод" (RU), ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева" (RU). — № 2013150630/02; заявл. 13.11.13; опубл. 20.04.15, Бюл. №11. -5 с.

10. Пат. 2553125 Российская Федерация, Модифицирующая смесь / Коровин В.А., Леушин И.О., Токарникова О.В., Седунов В.К., Слузов П.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева" (RU), Открытое акционерное общество "Литейно-механический завод" (RU).- №2013150628/02; заявл. 13.11.13 ; опубл. 10.06.15, Бюл. №16.-5 с.

Подписано в печать 14.10.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 663.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.