автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Стабилизация технологического процесса получения чугуна с вермикулярным графитом на основе совершенствования методов внепечной обработки

РГ5 со ! <

9 БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ "* ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

КОРОЛЕВ Сергей Павлович

УДК 621.74:669.131.8

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВ ЗВАНИЯ МЕТОДОВ В.ШПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ

05.15 04 — Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

» т

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство черных и цветных металлов" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент КОРОЛЕВ В.М.

Научный консультант —доктор технических наук, профессор ЛЕКАХ С.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КОМАРОВ О.С.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ДУДЕЦКАЯ Л.Р.

Ведущее предприятие -ПО "БелавтоМАЗ", г.Минск.

" Защита состоится 26 марта 1993 г. в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д.056.02.04 по присуждению ученой степени доктора наук в Белорусской государственной политехнической академии ( корп.1, ауд.202 ).

Отзыв в двух экземплярах, скрепленный гербовой печатью, просим направить по адресу: 220027, г.Минск, проспект Ф.Скори-ны, 65, БГПА, ученоцу секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "_" февраля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета // канд.техн.наук, доцент Б.М.Немененок

(Л

(С)Белорусская государственная политехническая академия,1993

г '

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение современных конструкционных литейных материалов во многом определяет решение задач повышения технического уровня, эксплуатационной надежности и снижения материалоемкости продукции машиностроения, где на долю отливок приходится от 40 до 75% веса машин и механизмов.

В последние годы все больший интерес со стороны технологов и конструкторов вызывает чугун с вермикулярным графитом< как материал, обладающий хорошими технологическими свойствами при достаточно высоком уровне эксплуатационных и механических характеристик, сравнимых с чугуном с шаровидным графитом (ЧШГ). Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) может быть эффективно использован для производства деталей, эксплуатация которых предполагает высокие нагрузки циклического характера ( "блок-картер", "корпус трансмиссии", "головка блока цилиндров" и т.д.). Перспективно применение ЧВГ в качестве материала технологической оснастки ( кокили, изложницу и т.д. ).

Однако объем производства отливок из ЧВГ в республиках СНГ, а также и в других странах, находится на невысоком уровне. Это связано с низкой стабильностью технологии его получения, что объясняется недостаточной изученностью процессов выплавки, внепечной обработки и структурообразования ЧВГ. Ограниченные сведения о комплексном воздействии сфероидизирующих и десферо-идизирупщих элементов на формирование графитной фазы при кристаллизации чугуна определяют жесткие технологические требования к действующим процессам производства ЧВГ.

Целью работы являлась стабилизация технологического процесса получения чугуна с вермикулярным графитом на основе совершенствования методов внепечной обработки.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Проведение сравнительных исследований влияния магния и индивидуальных РЗМ в широком диапазоне на морфологию графита при кристаллизации синтетических Ре-С- 5'| сплавов и промышленных чугунов.

2. Исследование устойчивости получения ЧВГ за счет допол-

I

нительиого ввода стабилизирующих вермикулярный графит элементов при затлерцевании сплава.

3. Разработка составов комплексных модификаторов с оптимальным соотношением элементов ш основе экспериментальных исследований, а такяе термодинамических расчетов параллельных реакций, протекающих в жидком чугуне.

4. Оптимизация химического состава чугуна с вермикулярным графитом для картерного литья с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий.

5. Разработка технологических режимов плавки, модифицирования и заливки ЧВГ.

Иа.учныя новизна работы:

1. Установлено закономерное изменение формы графитных включений от крупнопластинчатой к мелкопластинчатой с межденц-ритной ориентацией, затем вермикулярной и палее шаровидной при затвердевании чугуна, обработанного возрастающими присадками

и РАМ. Однако диапазон концентраций элементов-сфероидизато-ров для той или иной формы существенно различается.

2. Изучена эффективность влияния активных элементов (магний, церий, иттрий, лантан ) на формирование вермикулярного графита в синтетических Ре-С- Э! сплавах.

3. Получены дополнительные данные о стабилизирующем действии на ВГ десфероидиэирующих элементов ("Л , Ъх ) при кристаллизации синтетических Ре-С-Б1 сплавов.

4. Проведены термодинамические расчеты реакций взаимодействия совместно вводимых в расплав чугуна РЗМ, ЩЗМ с кислородом и серой методом минимизации энергии Гиббса.

5. Установлены оптимальные соотношения компонентов в составах комплексных модификаторов "Вермикуляр" для получения ЧВГ и ЧШГ с учетом особенностей взаимодействия активных элементов в жидком чугуне.

Практическая ценность работы. Разработаны составы низкомагниевых комплексных модификаторов "Вермикуляр" для производства отливок из ЧВГ и ЧШГ. Разработан стабильный технологический процесс получения отливок из чугуна с вермикулярным графитом, позволяющий использовать исходный расплав электродугобой,

индукционной и ваграночной плавки.

Предлагаемая технология опробована в условиях ряда заводов: "Таджикгидроагрегат" г.Лушанбе, КГБ УЕЗД г.Минск, "Эмалыюсу^а" г.Слуцк, ПО "БелавтоМАЗ" г.Жодино, ПО ГАЗ г.Нижний Новгород, внедрена в производство на ПО "ЧЗПТ" г.Чебоксары при получении отливок "блок-картер'' из ЧВГ 40, станкостроительном ПО им.С.М. Кирова г.Минск для изготовления технологической оснастки из ЧВГ 35, а также на КМПО г.Калуга при освоении отливок "вал коле нчатнй" из ВЧ50.

За счет применения низкомагниевых модификаторов "Вермику-ляр", характеризующихся высоким усвоением магния вместо высокомагниевых ( ФСМгб, ФСМг7, ФСКгЭ), а также уменьшення металлоемкости отливок при переводе с высокопрочного на чугун с пермику-лярным графитом, получен общий годовой экономический эффект 192 тыс.руб. в ценах 1991 года.

Разработана технология получения отливок из ЧВГ методом внутриформенного модифицирования, опробованная в условиях литейного цеха № I ПО "ЧЗПТ" г.Чебоксары.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: научных семинарах кафедры "Литейное производство черных и цветных металлов"; научно-технических конференциях Белорусской государственной политехнической академии 1938-1992 гг.; научно-технической межрегиональной конференции "Охрана труда и прогрессивные технологические процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении" ( г.Чебоксары,1990 ); научно-технической межреспубликанской конференции "Новые технологические процессы в литейном производстве" (г.Хабаровск,1991); научно-технической конференции литейщиков "Литейное производство и окружающая среда" (г.Минск,1992).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей, 5 тезисов докладов, получено 2 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 133 источников и приложения.

Работа изложена на 232 стрлницчх машинописного т^кстя и иллюстрирован» 63 рисунками и 36 таблицами.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Анализ современных представлений о теории и практика получения ЧВГ для отливок

Обзор литературных данных свидетельствует .о многообразии процессов получения ЧВГ, отличающихся составами модификаторов и технологическими режимами их ввода. Однако, подавляющая часть их характеризуется низкой стабильностью, что создает значительные трудности для широкого промышленного использования разработанных технологий. Это обстоятельство объясняется отсутствием систематизированных данных о влиянии элементов-сфероидизаторов на образование вермикуллрных включений графита при затвердевании чугуна. Кроме того, накопленный в большом количестве экспериментальный материал основан на исследовании сплавов промышленного состава, содержащих широкий спектр контролируемых^ неконтролируемых примесей. Присутствующие в чугуне примеси настолько усложняют процесс графитообразования, что не представляется возможным получить цостаточно четкую картицу о механизме влияния вводимых микродобавок. Последнее не позволяет обоснованно подойти к выбору оптимальных составов комплексных модификаторов, технологических параметров плавки и модифицирования чугуна.

На основании проведенного анализа литературных данных можно сделать следующие основные выводы:

чугун с вермикулярным графитом, как конструкционный материал, обладает благоприятным сочетанием механических, литейных и специальных свойств и является перспективным материалом для ответственных деталей, работающих в условиях переменных силовых и тепловых нагрузок;

хорошие технологические свойства ЧВГ позволяют использовать его взамен ЧПГ и ЧШГ;

■ существующие способы производства ЧВГ в большинстве своем не обеспечивают его стабильного получения в условиях промышленного производства;

не установлен механизм формирования графита вермикуляр-ной формы при затвердевании чугуна;

не определено оптимальное соотношение элементов для вер-

микуляризации графитных включений при кристаллизации сплава.

Поэтому технологический процесс получения ЧВГ в настоящее время относится к наименее стабильным в литейном произвоцстве.

2.2. Методика исследований

В качестве шихтовых материалов для получения синтетического сплава Ре-С-З» использовали материалы высокой чистоты: карбонильное железо марки ЕЗ, реакторный графит, полупроводниковый кремний марки ВДБ-0,045, химически чистые церий, иттрий, лантан, магний, титан, цирконий, сера. Общее количество посторонних примесей, содержащихся в карбоннльном железе, составляло 0,00930%. Технология производства реакторного графита, полупроводникового кремния и активных добавок обеспечивала достаточную чистоту составляющих шихты. Во избежание насыщения сплава газами и угара его компонентов, нагрев и расплавление образцов осуществлялись в атмосфере аргона марки "А". После расплавления и достижения требуемой температуры производилась выдержка синтетического расплава Ре-С-Зг в течение 10 минут, затем вводились необходимые присадки. Во всех экспериментах проводилось вторичное модифицирование монокристаллическим кремнием в количестве 0,67% от массы синтетической Ре-С-3'1 навески. Металл тщательно перемешивался, охлаждался с печью до Ю00°С, затем затвердевшие образны извлекались из печи и остывали на воздухе.

В лабораторных исследованиях исходный металл промышленного состава выплавляли в печах с силитовыми нагревателями, а также в инпукционной печи ЛПЗ-67 из стандартных шихтовых материалов, в качестве которых применялись литейные цугуны ЛЗ,Л4, Л5 (ГОСТ 4832-80), передельные иугуны ПЛ1, ПЛ2 (ГОСТ 805-80), ферромарганец ФМп2,0 (ГОСТ 4759-79), ферросилиций ФС75 (ГОСТ 1415-78). Для легирования применяли ферротитан ФГи68 ( ГОСТ 4761-80), сернистое железо ( 30% 3 ). Для модифицирования использовали лигатуры 4СЗЗРЗМЗО ( Ш4-5-136-86), ФСМг2, ФСМгЗ, ФСМг5, ФСМг7, ФСМгЭ ( ТУ14-5-134-86). Химическое содержание элементов в чугуне определяли по стандартным методикам по Г0СТ2604.4-2604.12. Температуру исследуемого жидкого металла контролировали с помощью платино-платинороциевой термопары пог-

5

рушения и автоматического потенциометра КСП-4.

Рентгеноспектральний микроанализ выполняли на микроанали-эаторе " СатЬпс^е бкгеоассм" ( Великобритания ) линейным сканированием образца под зондом вдоль выбранного направления с записью распределения интенсивности характеристического рентгеновского излучения элементов. Париллельно производили микроанализ характерных для модифицированных магниевых чугунов на неметаллические включения с фиксированием общего качественного спектра по диаграмме.

Твердость образцов по Бринелю определялась согласно ГОСТ 24605-81. Металлографические исследования проводились на автоматическом анализаторе "Эпиквант" фирмы Карл Цейс йена. Степень сферойдизации графитных включений оценивалась по шкале, разработанной Литовкой В.И.. Для выявления микроструктуры чугуна использовалось травление четырехпроцентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте, тип матрицы определялся по ГОСТ 3443-8?. Для определения количества структурных составляющих использовались стандартные эталоны, в случаях необходимости точного определения соотношения структурных составляющих матрицы применяли точечный метод Глаголева.

Изучение процессов кристаллизации исследуемых чугунов проводили при помощи системы "Термозонд", разработанной ОНИПлит Б1Т1А. Система работает в трех режимах: сбор информации, загрузка информации и обработка информации. Компьютер может выдавать результаты как в цифровом, так и в графическом виде.

Измерение активности кислорода в синтетическом Ре-С-8> сплаве проводили методом ЭДС с использованием активометра, разработанного Московским институтом стали и сплавов. Ударяю вязкость определяли при помощи копра маятникового И05003-03 по ГОСТ' 27.003-06. Образца чугунные без надреза размером 55 х 10x10 подвергали двухопорному ударному изгибу ( по методу Шар-пи) . Значения ударной вязкости при помощи датчиков преобразования выводили на цифровое табло копра маятникового И0 5003-03. Микротверцость исследуемых образцов определяли при помощи прибора ПМГ-3. Исследуемые чугуны испытывали на предел прочности при растяжении, ударную вязкость и твердость по Бринелю.

Все образш для определения механических свойств изготавливали из технологических проб, полученных методом в^утрифор-менного или ковшового модифицирования. Испытания на разрыв при растяжении проводили на универсальной машине " 1рз1гоп ".

2.3. Исследование влияния модифицирующих элементов на формирование графитных включений в синтетических Се-С-Ш сплавах

В первой серии опытов исследовали влияние возрастающих добавок Мд , Се , У , 1л на формообразование графита при затвердевании чистых синтетических Ге-С-й! сплавов с проведением вторичного модифицирования монокристаллическим 51 .

Кикроструктурнпй анализ полученных слитков показал, что с увеличением концентрации магния форма графитных включений изменяется от крупнопластинчатой к междендритной, затем к вермику-лярной и далее к шаровидной.

Форма графита в ^модифицированном синтетическом Ре-С-31 сплаве соответствует ПГф1 по ГОСТ 3443-87. При введении магния в синтетический чугун в интервале до 0,004$ форма графнтннх включений практически не изменяется, т.е. весьма незначительные присадки магния не вносят существенного изменения в процессе кристаллизации чистого Ре-С-51 сплава. В пределах 0,004-0,008% магний способствует образованию мелкопластинчатого и точечного графита с междендритной ориентацией, что свидетельствует о увеличении переохлаждения сплава при эвтектической кристаллизации. Образование мелких включений графита связано, вероятно, с тем, что затвердевание эвтектики при большом переохлаждении частично завершается появлением включений цементитной фазы, которая распадается при последующем охлаждении отливки.

Остаточное содержание магния в интервале 0,0084-0,016^ обеспечивает формирование вермикулярной формы графита (рис.1). Дальнейшее увеличение концентрации магния в синтетическом чугуне приводит к усилению его сфероидизирующего действия, в результате графит приобретает шаровидную форму. При этом возрастает доля цементита н металлической матрице. Степень сфероидиэации графита ( ССГ ) увеличивается по мере усиления сфероидизирующего действия модификатора - от крупнопластинчатого к мелкоплас-

Зависимость формообразования графита в синтетическом Ре-С-Б1 сплаве от .добавок элементов-сфероидизаторов

100

^ 90 й

1 "О

я

& 70 |6°

2 ьо

и.

I 40

О)

^30

»О X

ё 20

0)

н

О ю

/ чшг

/ /

/ .. /........... / --—

ы !г-г / / и—■ В —

чзг

чвдг

Щ-- — ч—- - ---- — - - —

щ • — МОочя к—Се

¥ 4-У и

0,06 0,12 0,18 0,24

Величина добавки, %

0,30

Рис.1

тинчатому междендритному, далее к вермикулярному и затек к шаровидному.

Однако ССГ не всегда сочетается с общей тенденцией изме нения механических сьойств. В частности, графит переохлажденной эвтектики вызывает снижение твердости, предела прочности при растяжении в чугуне, тогда как ССГ возрастает в сравнении с чугуном, имеющим крупнопластинчатый графит. Тем не менее степень сфероидизации графита является удачной характеристикой для сравнительной оценки ЧЗГ и ЧШГ. Образованию ЗГ в чугуне соответствует ССГ от 50 до 75%. Степень сфероидизации графита более 75% характеризует преобладание в структуре шаровидного графита с присутствием отдельных вермикулярных включений. Последовательные присадки чистого церия приводят к формированию крупнопластинчатого; междецдритного, затем вермикулярного и далее шаровидного графита. Введение церия в ^е-С-йг сплав ( Сэ=4,3 ) в количестве 0,01% вызывает изменение формы графита от грубопластинчатой к междендритной. При этом в металлической матрице сплава происходит снижение доли перлита с 30 до 10% и, как следствие, снижение твердости. Дальнейшее увеличение добавки церия в интервале 0,02-0,09% обеспечивает формирование вермикулярного графита. Начиная с 0,07% Се в структуре появляются отдельные шаровидные графитные включения, число которых постепенно растет и становится преобладающим при содержании.в сплаве более 0,1% церия. Слепует отметить способность церия в чистом Ре-С-Й! сплаве стабилизировать цементит^ю фазу при концентрации более 0,08%. Закономерность изменения степени сфероидизации графита носит характер, аналогичный при модифицировании магнием. Различие состоит в абсолютных значениях величин добавок и степени сфероидизации графита, что свидетельствует о более сильном сфероидизирующем действии присадок магния.

Исследования влияиия иттрия на процесс структурообразова-ния в синтетическом Ре-С-51 сплаве показали, что его модифицирующее действие во многом аналогично церию. Форма графита при возрастающих добавках иттрия изменяется в направлении от крупнопластинчатой к междендритной, затем к вермикулярной и далее к шаровидной. В сравнении с церием иттрий является более сла-

бым сфероидизатором графита, поэтому он расширяет область образования графитных включений вермикулярной формы ( от 0,02$ р.о 0,17$ вес.). Лишь при концентрациях свыше 0,17$ вес. иттрия в Fe-C-Si сплаве кристаллизуются шаровидные включения графита. Кроме того, форма вермикулярных включений, получаемых при вводе церия и иттрия, заметно разнится. У иттрия отношение максимальной длины к максимальной ширине графитного включения несколько больше, чем у церия. Поэтому иттриевый ВГ более вытянут в полости шлифа, чем цериевый. Это различие отражает форма графита по ГОСТ 3443-87. Иттриевый ВГ в основном определяется ВГф1 и ВГф2, в то время как цериевый чаще соответствует ВГфЗ.

Влияние чистого лантана на форму графита в синтетическом Fe-C-Si сплаве характеризуется закономерностями, аналогичными как и для исследованных выше элементов-сфероидизаторов. В интервале изученных концентраций он изменяет графитные включения от крупнопластинчатой до шаровидной формы с образованием всех промежуточных разновидностей ( междендритной и вермикулярной ). Лантняявляется более слабым сфероидизатором в сравнении с магнием, церием, иттрием, в то же время способствует стабильному получению вермикулярного графита в широком диапазоне концентраций от 0,02 до 0,20% вес. Шаровидные включения графита в синтетическом чугуне лантан образует неправильной разорванной формы, что по ГОСТ 3443-87 определяется как ШГфЗ, ШГф4. По своей форме лантановый ВГ близок к иттриевому - преобладает ВГф1 И ВГф2.

Результаты однофакторных экспериментов показали, что F3M являются более эффективными вермикуляризаторами графита в сравнении с магнием. Однако высокая стоимость и повышенный расход ограничивают их применение. Поэтому перспективно использование их в небольших количествах в составе относительно недорогих магнийсодержащих модификаторов с целью улучшения вермикуляризи-рующего действия последних.

Влияние комплекса Мд-Се при различном соотношении элементов показывает, что увеличение содержания церия при неизменной концентрации магния расширяет интервал соотношений, в которых обеспечивается формирование вермикулярной формы графита. Преобладание магния усиливает сфероидизиругащее действие на графит и

резко сужает концентрационный интервал образования графита вермикулярной формы. Аналогичные результаты получены при комплексной обработке Ре-С-сплава магнием и иттрием, а также магнием и лантаном.

Приведенные выше результаты исследований подтвердили предположение о возможности стабилизации процесса получения Ч8Г комплексно Мд и РЗМ при значительном снижении расхода компонентов. Стабильное формирование ВГ в синтетическом чугуне происходило при соотношениях Мд:РЗМ = 1:(2-3). Таким образом, содержание РЗМ в количестве 0,02-0,03% вес. в сочетании с 0,01!? вес. присадки магния обеспечивает требуемое формообразование графита в ЧВГ. Для сравнения средние значения раздельных присадок РЗМ, обеспечивающих стабильное формирование ВГ в синтетическом Ре-С-Й! сплаве равны: Се - 0,06$; V - 0,095%; 1д -0,110%.

Для изучения совместного влияния де-и сфероицизаторов на формообразование графита в синтетический Ре-С-Э! сплав вводили церий и титан. Количество церия выбиралось достаточна для формирования более чем 50% шаровидных включений графита от числа всех включений графита на площади шлифа ( 0,10% вес. к массе навески Р.е-С- Эх сплава). Возрастающие присадки тирана закономерно снижали степень сфероидизации гиафита, т.е. форма графитных включений изменялась от шаровидной ( ШГф4 ) до вермикулярной ( ВГфЗ, ВГф2, ВГф1 ), далее к колониям графита переохлажденной эвтектики и затем к крупнопластинчатым образованиям.

Титан, введенный совместно с церием, расширяет концентрационный интервал образования ВГ в синтетическом чугуне в сравнении с присадкой чистого церия. Добавки чистого церия способствуют кристаллизации графита вермикулярной формы в пределах 0,02-0,09% вес. При наличии титана в количестве 0,03% интервал образования ВГ несколько расширяется, смещаясь в сторону больших добавок церия и составляет от 0,05 до 0,13%. (Ложно заключить, что совместные добавки титана и церия стабилизируют вермикуляризацию графита.

В синтетическом чугуне цирконий проявляет только графити-эирующее воздействие. Это подтверждается постепенным снижением

II

твердости Fe-C-Si сплава по мере увеличения содержания в нем циркония. В отсутствии сфероидизирующих элементов цирконий не вызывает глобуляризации графита в чугуне. Введенный в синтетический Pe-C-Si сплав совместно с периеы, цирконий способствует расширению зоны вермикуляризации графита. При наличии циркония в количестве 0,03% интервал образования вершкулярно-го графита изменяется соответственно с 0,02-0,09% Се до 0,050,13%. Полученные результаты по изучению влияния циркония на форму графита при кристаллизации синтетического чугуна показали, что он проявляет десфероидизирующее действие на графитную фазу в присутствии сфероидизаторов. Самостоятельного вермикуля-риэирующего или сфероидиапрующего влияния цирконий не оказыва-ei. Исследование совместного влияния сфероидизирующих элементов (магния,церия,иттрия,лантана), а также десфероидизаторов (титана,циркония) позволило обоснованно подойти к рациональному выбору состава комплексного модификатора для стабильного получения ЧВГ в структуре чугуна. Комплексная присадка состояла из чистых элементов: магния, церия и титана. Содержание церия было фиксированным и составляло 0,01% вес. к массе расплава. Количество магния возрастало по отношению к церию в соотношениях 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, £>:1. Содержание титана также изменяли. В первой стадии опытных плавок количество титана было в половину меньше содержания церия (Т\: Се ■ 0,5:1). При таких соотношениях церия, магния и титана зафиксировать вермикуляр-цую форму графита в синтетическом чугуне не удалось. При соотношении Ti : M<j :Се = 0,5:1:1 - образовался междендритный графит, а при соотношении Ti : Wfy: Се = 0,5:2:1 - шаровидный графит. Во второй серии плавок, сохраняя количество церия, возрастающее соотношение М^ к Се, изменили количество вводимого титана (Ti : Се = 1:1). Сфероидизирующая способность такой комплексной присадки ухудшилась по сравнению с первым вариантом. Аналогично провели третью и четвертую серии экспериментов, оставляя неизменным количество церия, соотношение возрастающей присадки магния к церию, добавки Ti по отношению к церию составили 2:1 и 4:1, Наилучшими вермикуляризирующими свойствами обладает добавка при соотношении компонентов: Ti Се =

2:(2-4):1. В следующем этапе исследований присадки магния и титана фиксировались (Мд =Т1 = 0,С2% вес.) и изучали влияние чистых редкоземельных элементов ( Се,^ , 1л.) на формообразование графита в синтетическом чугуне, т.е. область, в которой соотношение Мд/Се<I. Добавки в синтетический сплав Ре-С-3'1 Мд + Тл без РЗМ приводили к формированию в структуре мелкопластинчатого междендритного графита. С введением церия (Се= 0,01-0,04$ вес ) в комплексную присадку графит кристаллизовался в виде вермикулярных включений, при возрастании его концентрации превалировало сфероидизирующее действие комплексной присадки.

Аналогичные по характеру результаты были получены при исследовании комплексных присадок- "П и Мц - Т] - 1а на формообразование графита в синтетическом Ре-С- 51 сплаве.

Проведенные исследования показали, что стабилизация формирования ВТ в чугуне происходит в соотношениях элементов в комплексной присадке "П : Мд : РЗМ (Се,У,1.а) = 2:(2-4):1, однако в данном случае речь идет о высокомагниевых модификаторах с РЗМ и Т1 .

Существует и другая более перспективная область оптимальных соотношений Мд к РЗМ, обеспечивающая в присутствии "П и'¿г более эффективную стабилизацию структуры ЧВГ при общем минимальном расходе присадок. Данная область принадлежит к категории низкомагниевых модификаторов и описывается соотношением: Тл : М^ : РЗМ = 1:(0,5...2):(2...4). Полученные результаты формообразования графита при кристаллизации синтетического Ре-С-сплава согласуется с предположениями, высказанными в работах Д.Н.)(уаокорыова о механизме формирования вермикулярного графита, что по мере увеличения присадки в жидкий чугун модификатора (сфероидизирующего элемента) постепенно повышается вероятность возникновения бугорков роста на базисных гранях и уменьшается на гранях, перпендикулярно базисным, т.е. на приз-меншх. Это должно сказаться на строении графитных включений. Надо полагать, что при переходе к вермикулярному графиту происходит поворот базисных плоскостей в пластинчатых включениях с расположением плоскостей, напоминающим расположение елочных

веток. Данное обстоятельство должно препятствовать расщеплению графитных пластин даже при относительно больших переохлаждениях жидкой фазы с одновременным их утолщением.

На завершающем этапе кристаллизации эвтектики остатки жидкой фазы обогащаются модификатором (сфероицизирующим элементом) , имеющем чрезвычайно низкую растворимость в графите и аустените. Концентрация сфероидизатора достигает уровня, соответствующего образованию шаровидного графита. Процесс сферои-дизации кромок пластин в этих условиях осуществляется или их округлением с появлением шаровидных образований, или изгибом всей пластины таким образом, чтобы базисные плоскости решетки графита располагались перпендикулярно притоку углерода из жидкого чугуна. Концентрация сфероидизатора может выходить на этот уровень и раньше на какой-то период в зависимости от колебаний степени насыщенности отдельных микрообъемов жидкой фазы модификатором, что находит подтверждение при изучении микроструктуры ЧВГ.

2.4. Разработка состава комплексного модификатора для получения отливок из чугуна с вермикуляр-ным графитом

При переходе к чугунам промышленного состава необходимо учитывать возможность (и неизбежность) взаимодействия активных ЩЗМ и РЗМ с примесями в расплаве. Возникающие дополнительные расходы активных элементов на реакции рафинирования, требуют корректировки составов комплексных модификаторов для промышленных чугунов. Немаловажное значение имеют также и кинетические факторы, зависящие от технологии внепечной обработки и состава присадок, поскольку они определяют усвоение активных элементов расплавом. При изучении процессов рафинирования и модифицирования чугуна с вермикулярным графитом целесообразно дополнительно также рассмотреть влияние таких элементов как Са и Ва. ЩЗМ обладают значительным сродством к кислороду и сере, поэтому их использование может способствовать повышению эффективности КМ при одновременном сокращении расхода дорогостоящих РЗМ. Расчет многокомпонентного равновесия с учетом начального состояния системы ( ц- ) проводился методом минимизации энер-

гии Гиббса системы с использованием ЭВМ по программе, разработанной в лаборатории ОНИЛлит БГПА. Сущность данного метода, применяемого для оценки параллельных реакций, протекающих при взаимодействии РЗМ и ЩЗМ с кислородом и серой в жидком чугуне, заключается в минимизации термодинамического потенциала.

Термодинамические расчеты показали, что при вводе в жидкий чугун комплексных присадок, содержащих наряду с церием и другими РЗМ магний и кальций, функции этих элементов могут разделяться. Так, щелочно-земельные металлы ( кальций ) преимущественно взаимодействуют с серой, освобождая магний и РЗМ для вермикуляризации включений графита. Помимо сокращения расхода присадки применение комплексного модификатора (КМ) позволяет за счет улучшения формы неметаллических включений и их удаления из расплава, а также графитизирующего эффекта повысить качество и стабильность получения ЧВГ. Учитывая влияние значительного числа факторов, оптимизация ЮЛ проводилась с по мощью ЭВМ в следующей последовательности:

I. Для заданного состава жидкого чугуна и температуры, приняв произвольно концентрации Сан, Сен , , минимизировали функцию 6 , т.е. с учетом протекания параллельных реакций определялись конечные концентрации 0ах , Сек,

Z. По конечным концентрациям ЩЗМ и На определялось соответствие расчетной величины критической Се^1" , как ведущего элемента при получении чугуна с вермикулярным графитом. Затем варьированием добавки церия ( С^ ) рассчитывались те начальные концентрации, которые обеспечивали получение ЧВГ.

3. При этих условиях определялся расход, состав лигатуры, а также стоимость обработки.

4. Затем по определенной системе, изменяя начальные концентрации магния и ЩЗМ, вновь решая уравнения по пп.1-3, отыскивался оптимальный состав лигатуры, обеспечивающий минимум затрат на обработку.

На основании указанных исследований при непосредственном участии автора лабораторией ОНИЛлит Белорусской государственной политехнической академии совместно с Челябинским 1ШИМ разработаны технические условия на гамму низкомагниевых с РЗМ мо-

дификаторов для производства чугунов с ВГ и ШГ, получивших товарное наименование "Вермикуляр" ( табл.1 ).

2.5. Разработка технологического процесса получения отливок из чугуна с вермикулярньш графитом

По результатам лабораторных исследований, а также опытно-промышленных плавок в условиях литейных цехов Слуцкого завода "Эмальпосуда", ПО "Таджикгидроагрегат" г.Душанбе, ПО "Чебоксарский завоц промышленных тракторов", "БелАЗ" г.Кодино, станкостроительного завода им.Кирова г.Минск, ПО "Калужское моторостроительное объединение", машиностроительного завода г.Чебоксары, "Автоцветлит" г.Мелитополь определена зависимость расхода комплексных модификаторов "Вермикуляр" для ЧВГ от содержания серы в исходном расплаве. В сравнении с магниевым модификатором ФС:.!г7 при его ковшовой обработке разработанный состав КМ "Вермикуляр-2" обеспечивает значительно более широкие технологические пределы добавок, обеспечивающие структуру ЧВГ ( рис.2 ).

На основе учета линейной вертикальной скорости растворения модификатора в реакционной камере разработана также методика расчетов параметров технологии вцутриформенной обработки расплава модификатором "Вермикуляр". Исходными данными для расчета оптимальных параметров литниковых систем являлись: масса отливки (М, кг), габариты отливки (А,В,Н), количество отливок в форме (п ), масса питающих прибылей (М^), оптимальный фракционный (dmai, dmin ) и химические составы модификатора, температура заливки металла в форму, влияющие на линейную скорость растворения.

В условиях литейного цеха № 2 ПО "ЧЗПТ" проведена отработка метода ковшового модифицирования получения отливок "блок-картер" из чугуна с вермикулярньш графитом. Технологический процесс получения чугуна с вермикулярньш графитом включал выплавку исходного чугуна в 6-ти тонных .дуговых печах с основной футеровкой с использованием традиционных шихтовых материалов (чугун литейный ЛК-4,чугун передельный, стальной лом и возврат производства высокопрочного чугуна ) и модифицирование расплава в 1-тонных заливочных ковшах модификатором "Верыикуляр-2".

Таблица I

Химический состав модификаторов "Зерыикуляр"

■ и

Обозначение марки ! % ?Соотношение элементов? 21 !Ре,!Область при-

; ;2РЗМ:М(} ; Т1 ) % } %'\ % | менения

НИР5) 2,2-2,7 (1,8-2,8):! (1,3-2):! 1-4 ост. 20

плавке

2,7-3,2 (1,8-3,0) :1 (1,0-1,6) :1 1-4 ост. 20 Для ЧВГ при (.«ьлгли^ индукционной

плавке

2,7-3,5 (1,5-3,0):! - ^ ост. 20 Дш^чгчения

Концентрация Ьа и ¿г уточнена по результатам экспериментальной проверки.

»—4

•чЗ

Зависимость формообразования графита и предела прочности при растяжении от расхода комплексного модификатора "Вермикуляр"

100"

« 90 - 80 а н я

■ао, и

70

60

л

п

50

| 40 а

& 30|

0

* 20

1 13 <и

о

• - "Вермикуляр" А - ФСМг7

0,2 0,6 1,0 1,4 Расход модификатора, $

1,8 2,0

1 - 0,020$ 5 (исходный расплав);

2 - 0,035-0,040$ 5 (исходный расплав);

3 - 0,07-0,085$ $ (исходный расплав)

Рис.2

Оптимальный расход "Вермикуляр-2 составлял 0,7-0,8^ от металлоемкости ковша. Графитизирующее модифицирование осуществляли ферросилицием $С75 в количестве 0,7-0,8$, вводимым на дно ковша совместно с "Вермикуляр-2". Фракционный состав модификатора составлял 2-15 мм. Температура модифицирования 1420°С. Результаты испытаний показали, что в отливках "блок-картер" отсутствует ранее наблюдаемый наиболее характерный дефект -течь по центральному маслоканалу, что снизило окончательный брак литья по течи до 1% по сравнению с 7% в отливках из ЧШГ. Значительно ( в 1,5-2,0 раза ) снизился также исправимый брак. Показано, что применение модификаторов типа "Вермикуляр" резко уменьшает пирроэффект и пылегазовые выбросы при ковшовой обработке по сравнению с высокомагниевыми типа ФСМг7.

Данная технология внедрена в производство на ПО "ЧЗПТ" г.Чебоксары для производства отливок "блок-картер" из ЧВГ40 в 1989 году, на ПО им.С.М.Кирова г.Минск для получения технологической оснастки ( кокиля,изложницы ) из ЧВГЗО, ЧВГ35 в 1991 году, на КМП0 г.Калуга для изготовления отливок "вал коленчатый" из ВЧ50 в 1991 году. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии за счет уменьшения брака отливок по усадочным дефектам, снижения металлоемкости, а также увеличения срока эксплуатации изделий составил суммарно 192 тыс.руб. в год в ценах 1991 года.

выводи

1. Установлено, что введение в расплав чугуна возрастающих присадок магния, церия, иттрия, лантана приводит к закономерному изменению формы графитных включений от крупнопластинчатой к мелкопластинчатой с междендритной ориентацией, верми-кулярной и шаровидной. При этом в указанном выше ряду элемен-тов-сфероидизаторов в сторону магния усиливается эффект сферо-идизации включений графита, в сторону лантана - расширяется зона образования вермикулярного графита.

2. Высказано предположение о механизме формирования верми-кулярного графита в Ре-С-Эг сплавах, связанном с обогащением модификатором жидкой фазы на завершающем этапе кристаллизации, что вызывает сфероицпэацию кромок пластин или их изгиб с пово-

ротом базисных плоскостей решетки графита, перпендикулярных притоку углерода.

3. Изучено комплексное воздействие редкоземельных металлов н магния на процесс формообразования графита в синтетических Ре-С-Эх сплавах и установлены оптимальные соотношения этих элементов для получения включений вермикулярной формы.

4. Исследовано влияние десфероидизирующих элементов (титан и цирконий) на форму графита при кристаллизации синтетических Ре-С-31 сплавов. Показано усиление вермикуляризирующе-го действия элементов-сфероидизаторов в сочетании с десферо-ицитирующими присадками при комплексном модифицировании чугуна.

5. Проведены термодинамические расчеты реакций 'взаимодействия совместно вводимых в расплав чугуна магния, редкоземельных металлов с кислородом и серой методом минимизации энергии Гиббса. Установлены оптимальные соотношения компонентов в составах комплексных модификаторов для получения чугуна с верми-кулярным графитом с учетом термодинамических и кинетических особенностей взаимодействия с жидким чугуном.

6. Разработаны составы комплексных низкомагниевых РЗМ-содержащих модификаторов, получивших товарное наименование "Вермикуляр", применение которых позволяет стабилизировать процесс изготовления отливок из ЧВГ методами вцутриформенного и ковшового модифицирования при существенном улучшении экологической обстановки при внепечной обработке.

7. Исследовано влияние параметров реакционной камеры на процессы растворения комплексного модификатора и разработана технология вцутриформенного модифицирования для производства отливок из ЧВГ.

8. Результаты исследований использованы в производстве для получения отливок "блок-картер" в условиях литейного цеха ПО "ЧЗПТ". Технологические процессы получения отливок из ЧВГ по результатам работы опробованы на заводе "Эмальпосуда" (г.Слуцк), ПО "Таджикгидроагрегат" (г.Душанбе), ПО "Машиностро-и»ельный завод" (г.Чебоксары), на станкостроительном заводе

им.С.М.Кирова (г.Минск), на Калужском моторостроительном объединении, ПО ГАЗ (г.Нижний Новгород), заводе "Автоцветлит'Чг.Ме-20

литополь), ЛМЗ (г.Лида). Совместно с Челябинским НИИ металлургии разработаны технические условия на гамму модификаторов

"Вермикуляр" и организовано их производство.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Королев С.П., Зуева M.U., Ермакович В.М. Влияние циркония на структуру и свойства чугуна с верыикулярным графитом // В сб.: ХХХШ Межреспубл.студенч.научн.-техн.конф. ВУЗов Прибалтийских республик, Белорусской ССР и Молдавской ССР. -Минск, I989.-C.62.

2. Леках С.Н., Королев В.М., Королев С.П. Получение отливок из чугуна с вермикулярным графитом методом вцутриформенной обработки. // В сб.: Охрана труда и прогрессивн.технолог.процессы в лит.пр-ве, порошковой металлургии и машиностроенииг Чебоксары, I990.-C.2I6-2I7,

3. Королев В.М., Королев С.П., Михайловский В.М., Масюк К.$. Процессы получения чугуна с вермикулярным графитом методом внутриформенного модифицирования // В сб.: Металлургия .Минск, 1990,-Вып.24.-С.58-60.

4. Королев В.М., Королев С.П., Довгучиц В.Я. Влияние микролегирования на морфологию графитных включений при затвердевании синтетических Pe-C-Si сплавов.// В сб.: Металлургия .Минск, I99I.-Bun.25.-C.34-37.

5. Леках С.Н., Королев В.М., Бестужев Н.И., Михайловский В.М., Королев С.П., Быстрова И.С. Низкомагниевые модификаторы для получения отливок из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. //В сб.: Металлургия .-Минск, I99I.-Bun.25,-

С.32-34.

6. Королев С.П., Королев В.М. Влияние титана на процесс графи-тооброзования в чугунах. // В сб.: Новые техн.процессы в лит.пр-ве.-Хабаровск, 1991 г С.21-22.

7. Худокормов Д.Н., Королев В.М., Королев С.П. 0 механизме формирования включений вермикулярного графита. // В сб.: Новые техн.процессы в лит.пр-ве.-Хабаровск, 1991.-С.23-25.

8. Королев В.М., Леках С.Н., Королев С.П., Бестужев Н.И., Михайловский В.М., Дубровин A.C. Экологическая технология ков-

пювого модифицирования чугунов с вермикуляриым и шаровидным графитом // Литейное производство. - М., 1992. - С.6-8.

9. A.c. tf I6G738I от 21.03.88. Способ получения блок-картеров из чугуна с вермикулярным графитом ( Бестужев Н.И., Леках С.Н., Королев В.М., Королев С.П. и др. ).Не публикуется.

10. A.c. № 1740426 от 19.04.90. Способ получения чугуна с вермикулярным графитом ( Леках С.Н., Королев В.М., Михайловский В.Ii., Королев С.П. и др. ). Не публикуется.

11. Королев С.П., Королев В.М., Леках С.Н., Бестужев Н.И., Михайловский В.М. Использование низкомагниевых комплексных модификаторов в экологичных технологиях получения ЧШГ и ЧВГ // В сб.: Литейное производство и окружаюаая среда.-Минск, 19Э2. - C.I0-II.