автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Управление структурой и свойствами чугунов путем воздействия на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами

На правах рукописи

КУХАРЕНКО ЕЛЕНА БОРИСОВНА

УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЧУГУНОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАСПЛАВЫ НАНОСЕКУНДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2009

003463460

Работа выполнена на кафедре «Литейное производство и технология металлов» ГОУВПО "Тихоокеанский государственный университет" (г. Хабаровск).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Ри Эрнст Хосенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Муравьев Василий Илларионович,

г. Комсомольск-на-Амуре

кандидат технических наук, доцент Иваненко Виктор Федорович, г. Комсомольск-на-Амуре

Ведущая организация:

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

Защита состоится "3" апреля 2009 г. в 13^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (ГОУВПО "КнАГТУ") по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ГОУВПО "КнАГТУ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО "КнАГТУ"

Автореферат разослан "3" марта 2009 г.

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

Э.А. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для повышения качества и свойств чугунных отливок применяют различные физические методы воздействия на расплав, среди которых можно выделить наиболее эффективные - тепловые, механические и электромагнитные. Тепловые методы включают термовременную и термоскоростную обработку расплава, а механические - перемешивание, фильтрация, продувка газами, вибрация, ультразвуковая обработка и др. Электромагнитные методы заключаются в обработке расплава либо затвердевающей отливки электрическим током либо электромагнитными полями.

Одним из эффективных направлений решения проблемы повышения качества и свойств отливок из металлических сплавов, в том числе чугунов, является разработка технологии, основанной на использовании физико-химико-механических воздействий на субмикро-, мезо-, атомную структуру сплавов. В этом отношении представляет теоретический и практический интерес применение в процессах плавки наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ). Они образуют локальные поля высокой мощности и напряженности и тем самым создают условия для управления микроструктурой и комплексом свойств металлических сплавов.

Знаменским Л.Г., Кулаковым Б.А., Крымским В.В., Ри Э.Х., Ри Хосеном и др. установлено, что облучение жидкой фазы НЭМИ в течение 10...15 минут существенно изменяет физические свойства металлических сплавов (силуминов, бронзы, цинковых и магниевых) в жидком и твердом состояниях, повышает физико-механические и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) характеристики. Так например, теплопроводность этих сплавов при воздействии на них НЭМИ в течение 10... 15 минут возрастает в 1,5...2,0 раза.

В связи с этим, представляет большой практический интерес проведение подобных исследований в чугунах с целью повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств.

Актуальность работы также подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в

рамках:

- Гранта Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края. Государственный контракт № 15-344 (2007 г.) «Разработка новой технологии плавки металлических сплавов (медных, алюминиевых, магниевых, чугунов) путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств»;

- Тематики Института Материаловедения ХНЦ ДВО РАН «Методологические, физико-химические и технологические основы создания функциональных материалов и покрытий с мелкокристаллической и аморфной структурой при концентрированном энергетическом воздействии». № 020.0 602402 (2006 - 2008 гг.): раздел 6 «Исследование влияния облучения наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства литейных металлических сплавов».

Цель работы заключалась в исследовании влияния продолжительности облучения расплавов НЭМИ на процессы кристаллизации и струкгурообразования и разработке технологии обработки расплава НЭМИ для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств белого, серого и высокопрочного чугуна.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния продолжительности облучения НЭМИ (ПОН) расплава наносекундными электромагнитными импульсами на процессы кристаллизации и струкгурообразования, формирование физико-механических и эксплуатационных свойств низко-, средне- и высококремнистых серых чугунов.

2. Исследование процесса модифицирования чугуна кремнием с последующей обработкой расплава С НЭМИ на кристаллизацию и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна.

3. Исследование влияния ПОН расплава и последующего модифицирования его кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна марки СЧ 20.

4. Исследование влияния ПОН расплава на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида в модифицированных кремнием чугунах методом гамма-проникающих излучений.

5. Исследование влияния облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1, ФСМг-6 и АКЦе.

6. Совершенствование технологии плавки чугунов с применением облучения расплавов НЭМИ для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые проведено комплексное исследование влияния ПОН расплавов на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические (теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства серого и модифицированных чугунов:

1. Установлена общая закономерность изменения кристаллизационных (tn, ta. tA1. tai. -AJ„. -AJ,' — AJa1 ) параметров серых чугунов с различным содержанием кремния (1,0, 1,55, 2,0 мас.%). Для низкокремнистого чугуна увеличение ПОН расплава способствует повышению температуры начала кристаллизации аустеиита и чугун становится менее эвтекгичным. Для высококремнистого чугуна наблюдается, наоборот, снижение температуры начала кристаллизации аустенита и чугун становится более эвтектичным по мере увеличения ПОН расплава. При этом температуры начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида снижаются.

- обработка расплава НЭМИ до определенной ПОН расплава до (15 минут) способствует измельчению графитных включений, а при 20-минутном облучении низгакремнистый серый чугун отбеливается, в высококремнистых чугунах, наоборот, - росту количества и размеров графитных включений пластинчатой формы и ферритизации металлической основы;

- максимальные значения теплопроводности низкокремнистого чугуна наблюдаются при ПОН расплава, равной 10 минутам, при этом теплопроводность возрастает в более чем 2,0 раза; среднекремнистого чугуна при ПОН расплава 5 минут она возрастает в 1,4 раза, а высококремнистого чугуна при ПОН расплава 15 минут она возрастает в 1,4...1,5 раз;

- физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплава; для достижения максимальных свойств необходима определенная ПОН расплава.

2. Облучение расплава НЭМИ и последующее модифицирование кремнием (ФС-45 в количестве 1,0, 2,0 и 3,0 мас.%) коренным образом изменяют кристаллизационные параметры, структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна:

- увеличение ПОН расплава способствует снижению температур начала кристаллизации аустенита (t„) и повышению температуры начала кристаллизации эвтектики; при определенной ПОН расплава достигается эвтектический состав (при 1,0 мас.% ФС-45 - 20-минутном, при 2,0 мас.% ФС-45 - 15-минутном и 3,0 мас.% ФС-45 - 10-минутном облучении расплава НЭМИ); при этом наблюдаются максимальные степень уплотнения расплава при эвтектическом превращении и время кристаллизации эвтектики; дано научное обоснование установленным зависимостям смещения состава сплава в сторону большей эвтектичности;

- по мере увеличения ПОН расплава количество и размеры графитных включений возрастают до определенной продолжительности облучения (до 20 минут для чугуна с 1,0 мас.%, 15 минут для чугуна с 2,0 мас.% и 10 минут для чугуна с 3,0 мас.% ФС-45);

3. температура начала кристаллизации эвтектоида повышается по мере увеличения ПОН в чугунах с 1,0 и 2,0 мас,% ФС-45 (до 15-минутного облучения расплава), а в чугунах с 2,0 (при облучении

более 15 минут) и 3,0 мас.% ФС-45,наоборот, снижается; при этом наблюдаются максимумы степени уплотнения чугуна и времени кристаллизации эвтектоида;

- для повышения теплопроводности модифицированных кремнием серых чугунов необходимо облучение расплавов в течение 5-10 минут (в среднем возрастает теплопроводность в 1,44...1,57 раза) в зависимости от содержания кремния;

- для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных кремнием чугунов необходима определенная ПОН расплавов.

4. Установлено влияние ПОН расплава на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида чугуна с различным содержанием кремния, дано научное обоснование установленным зависимостям.

5. Уточнены причины снижения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с серым чугуном и установлено влияние ПОН расплава на процесс формирования шаровидного графита, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных чугунов:

- независимо от формы присутствия углерода (в виде цементита или графита) максимальная теплопроводность наблюдается при ПОН, равной 10.„15 минут, в зависимости от вида лигатур (СИМИШ-1, ФСМг-6, АКЦе);

- повышение ПОН расплава (до и после модифицирования) более 10 минут создает неблагоприятные условия для формирования шаровидного графита; кратковременное облучение и последующее модифицирование - единственный путь повышения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, приближающейся к теплопроводности исходного ^модифицированного чугуна;

- основными причинами снижения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются насыщение сплава основными компонентами лигатур (Si, AI, Са и др.) и загрязнение его неметаллическими включениями.

6. Для достижения максимальных физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов необходима определенная продолжительность облучения расплавов НЭМИ.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование полученных результатов позволило установить пути воздействия на процессы кристаллизации и структурообразования, дало возможность управления физико-механическими и эксплуатационными свойствами не- и модифицированных чугунов, осуществляя выбор температуры и времени воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами. Для выявления дополнительных резервов повышения физико-механических и эксплуатационных свойств всех видов чугунов предложена новая технология их плавки с дополнительным кратковременным облучением расплавов наносекундными электромагнитными импульсами. Получен диплом в номинации «Лучшая инновация года в литейном производстве» за разработку «Технологии плавки металлов и сплавов с использованием наносекундных электромагнитных импульсов» на XIII Международной выставке-конкурсе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» как лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения. 11-14 марта 2008 г., г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на восьмом съезде литейщиков России (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.), а также VIII Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии 2007» (г. Хабаровск, 2007 г.), IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития питейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2008 г.), JCRSAMPT 2008 «JOINT China-Russia Symposium on ADVANCED MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY» (Harbin, P.R. China).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных статей. Получено 1 положительное решение на выдачу патента. Материалы диссертации приведены также в отчетах по Грантам и Программам, выполненным при участии автора.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Результаты исследования влияния продолжительности облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (ПОН) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов.

2. Результаты исследования влияния ПОН на процессы эвтектического и звтекгоидного превращения методом гамма-проникающих излучений.

3. Результаты влияния ПОН на характер распределения компонентов в различных структурных составляющих серого чугуна.

4. Результаты исследования влияния ПОН на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных сфероидизирующими графитные включения лигатурами.

5. Рекомендуемые технологии плавки серых и модифицированных чугунов для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.

Достоверность научных результатов. Достоверность экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования металлов и сплавов.

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка отдельных задач исследования, проведение опытных плавок, изучение процессов кристаллизации и структурообразования, комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов, обработка и анализ полученных результатов и формулирование выводов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 1 таблицу, библиографию из 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, апробация работы и публикации.

В первой главе, на основе обзора отечественной и зарубежной литературы, рассмотрено современное представление о влиянии различных внешних воздействий на расплавы, с помощью которых можно управлять литой структурой.

Наиболее перспективными для литейного производства являются тепловые (термовременная и термоскоростная обработка), механические (перемешивание, фильтрация, продувка газами, обработка ультразвуком и вибрация) и электромагнитные (обработка электрическим током и электромагнитными полями).

Как отмечалось в работах Б.А. Баума, Г.В. Тягунова, Ри Хосена и др., максимальный эффект упрочнения и легирования в сталях и чугунах проявляется по достижении устойчивого равновесного состояния расплавов железа с углеродом, определяемого измерениями их структурно-чувствительных свойств.

Высокотемпературный тип структуры ближнего порядка можно зафиксировать путем быстрого охлаждения расплава перед заливкой (термоскоростная обработка расплава), поскольку скорость структурных превращений в жидкой фазе достаточно низкая, несмотря на сравнительно большие ' скорости процессов диффузии. Положительное влияние термоскоростной обработки жидкого чугуна и алюминиевых расплавов (В.З. Кисунько, И.А. Новохатский, Ри Хосен и др.) заключается в фиксации статистически равновесного состояния расплавов и предотвращении ликвационных процессов.

Подробно рассмотрено влияние вибрации (В.Ю. Вероман, А.Б. Аренков, О.В. Абрамов) на измельчение кристаллической структуры, повышение прочностных характеристик чугуна, уменьшение максимального размера пластинчатого графита в 1,5...2,0 раза, увеличение графитизирующего воздействия магниевого чугуна и др.

В работах И.И. Теумина, М.В. Чухрова, Г.И. Погодина-Алексеева и др. показано, что воздействие упругими колебаниями повышенных частот (ультразвуковая обработка) на расплавы металлов в процессе их кристаллизации вызывает значительное измельчение кристаллической структуры слитка, возрастание прочностных и пластических свойств, а также и интенсивную дегазацию.

Исследованию влияния ультразвука на формирование структуры и механические свойства чугуна посвящен ряд работ (К.В. Горев, П.И. Леви и др.). Установлено, что независимо от содержания в чугуне углерода и кремния, ультразвук вызывает резкое измельчение выделений глобулярного графита. При этом эвтектическая остановка наблюдается при более высокой температуре. Уменьшение переохлаждения и наличие очень мелких выделений графита резко влияет на структуру металлической основы отливки. Сплавы с низким содержанием углерода и кремния, имевшие при обычных условиях кристаллизации структуру белого чугуна, при кристаллизации под действием ультразвука имели ферритную основу. Кроме того, обычный серый чугун при кристаллизации под действием ультразвука приобретает однородную структуру, равномерную твердость по всему сечению и хорошо сопротивляется истиранию (Н.П. Николайчик, Е.Н. Николайчик).

Высокоэнергетическое воздействие на расплавы металлов с целью-получения упругих колебаний основано на взаимодействии магнитного поля с электрическим током. С развитием техники больших импульсных токов и магнитных полей, разработкой промышленных образцов генераторов импульсных токов (ГИТ) появилась возможность получать в расплаве упругие колебания с большой амплитудой. Это достигается путем подключения ГИТ к кристаллизующемуся металлу. Проходящие через расплав импульсные тоги 103...105 ампер приводят к образованию импульсных электромагнитных сил Лоренца, которые влияют на процесс кристаллизации. Установлено, что при электроимпульсном воздействии происходит измельчение макро- и микроструктуры за счет перемешивания расплавов возникающими объемными электромагнитными сипами. Развитие интенсивной циркуляции в расплаве в результате наложения на него взаимодействующих скрещенного однородного магнитного и неоднородного электрического полей приводит к подавлению развития зоны столбчатых кристаллов, существенному измельчению кристаллитов, уменьшению количества и размеров неметаллических включений вследствие «утяжения» расплава, что ускоряет всплывание легких неметаллических включений.

С этих позиции представляется возможным управление процессом формирования отливок с определенным комплексом свойств воздействием на расплав наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ). Исходя из этого, для решения данной проблемы сформулирована цель и определены задачи исследований.

Во второй главе изложена методика исследований.

Кристаллизационные параметры определялись на установке «Параболоид-4» конструкции «ЦНИИТМАШа». Современный метод определения плотности гамма-проникающими излучениями позволяет получать обширную информацию о характере изменения плотности чугунов в жидком, жидко-твердом и твердом состояниях, а также фиксировать критические точки (температуры начала кристаллизации, эвтектического и звтектоидного превращений) и определить объемные изменения в процессе охлаждения чугуна. Параллельно строилась кривая охлаждения чугуна методом термического анализа. На основании полученных попитерм интенсивности гамма-проникающих излучений по температурной остановке и перегибам определялись критические точки фазовых и структурных превращений, объемные изменения и коэффициенты термического сжатия в жидком и твердом состояниях.

Элементно-фазовый анализ выполнен на установке <^ХА 8600» производства Японии, а электронно-микроскопическое исследование - на сканирующем электронном микроскопе Е\Ю-50ХР фирмы «Карл Цейс».

Кинетические исследования жаростойкости чугуна выполнены на дериватографе СМ000 фирмы МОП при атмосферном давлении в среде воздуха. Эталоном сравнения служил порошок АЬОз. Нагрев осуществлялся линейно со скоростью 10 град/мин до 1000°С в течение 120 мин. При этом автоматически производилась запись дифференциальных кривых зависимостей температуры

ДТобр = f (Тэтал) [ДТА], массы Дт = f (Т, т) и скорости окисления Vim = f (Т, т) [ДТГ и ТГ соответственно]. На основании этих зависимостей определяли прирост массы образца в процессе окисления.

Для исследования коррозионностойкости был применен объемный метод, суть которого заключалась в том, что в случае протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией (38 %-ный раствор HCl) количество растворенного металла пропорционально количеству выделившегося водорода. Объемный показатель коррозии рассчитан по формуле Коб.нг = Д V/S'Дт, где Д\/(см3) -среднее изменение объема выделившегося газа, приведенного к нормальным условиям, при установившейся скорости его выделения за промежуток времени Дт (ч, мин), S - площадь поверхности образца (см2, м2). Параллельно определялась убыль массы образца при коррозии. Износостойкость чугуна определялась по ГОСТ 23.208-79. Подготовка образцов для исследования структуры велась по стандартной методике. Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца подвергали травлению в 4,0 %-ном растворе азотной кислоты. Подготовленный для исследования микроструктуры микрошлиф рассматривали на металлографическом микроскопе MICRO 200. Испытание на твердость проводили по стандартной методике на приборе ТК-2. Исследования на микротвердость проводили на микрошпифах, подготовленных для исследования микроструктуры на приборе ПМТ-3.

Третья глава посвящена исследованию влияния облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов с различным содержанием кремния (мас.%: 1,0 Si; 1,55 Si; 2,0 Si).

Чугун перегревали до 1500°С для полного растворения графитных включений, после 5-минутной выдержки расплав охлаждали до 1350°С со скоростью 20 °С/мин и облучали его НЭМИ а течение 5, 10, 15 и 20 минут. Дальнейшее охлаждением осуществлялось со скоростью 20°С/мин до 500°С.

1. Низкокремнистый серый чугун. В качестве исходного сплава был использован низкокремнистый чугун состава, мае. %: 3,7 С; 1,0 Si; 0,5 Мп; 0,1 Р и S.

На рис. 1 приведены кристаллизационные параметры серого чугуна в зависимости от ПОН: 0; 5; 10; 15; 20 мин. Как видно, по мере увеличения ПОН расплава температура начала кристаллизации аустенита t„ повышается постоянно (рис. 1, а), а температуры начала и конца эвтектического превращения tj и (« снижаются. С увеличением ПОН расплава также уменьшаются температуры начала и конца эвтектоидного превращения tj, и t"A, (рис. 1,6). Время кристаллизации первичного аустенита тл постоянно возрастает по мере увеличения ПОН расплава (рис. 1, в), так как расширяется температурный интервал его кристаллизации (At = t„ - t").

Время кристаллизации эвтектики т3 увеличивается из-за расширения температурного интервала этого превращения = t"3 -1",. Вместе с тем, продолжительность эвтектоидного превращения tai уменьшается, несмотря на расширение температурного интервала превращения Д1а1 = tji - . Следует отметить, что по мере повышения ПОН расплава время охлаждения сплава от t, до tj, существенно возрастает. Можно предположить, что воздействие облучения расплава НЭМИ приводит к диспергированию неметаллических частиц (оксидов, нитридов, сульфидов), следовательно, к повышению поверхностной энергии. Уменьшение поверхностной энергии может произойти за счет «налипания» кластеров Fe-C и Fe-Si на поверхности субмикроскопических неметаллических включений и способствует зарождению и росту центров кристаллизации избыточного аустенита и повышению температуры начала его кристаллизации t„. Следовательно, состав чугуна под воздействием облучения расплава НЭМИ становится более доэвтектическим и температура начала эвтектического превращения снижается (переохлаждается); графитная эвтектика измельчается до ПОН расплава, равной 15 минут. При продолжительности облучения 20 мин в структуре в большой степени кристаллизуется ледебуритная эвтектика наряду с графитной. Таким образом, при длительном

облучении расплава большая часть расплава кристаллизуется по метастабильной системе с образованием ледебуритной эвтектики.

Твердость облученных чугунов незначительно снижается по мере увеличения ПОН расплава до 20 мин (рис. 1, д). Как уже отмечалось выше, при 20-минутном облучении расплава в структуре чугуна наблюдались участки ледебуритной и графитной эвтектики. Твердость отбеленного участка соответствует 58 НЯС (штриховая линия на рис. 1, д), а неотбеленного -160-170 НВ.

Для выяснения причины снижения твердости от ПОН расплава измерялась микротвердость структурных составляющих - дендритов аустенита (перлита) в центре (ПЦ) и периферии (ПП).

Увеличение ПОН расплава способствует снижению микротвердости перлита по сравнению с необлученным серым чугуном на 100 Н50 при 15-минутной ПОН (рис. 1, г). При 20-минутном облучении расплава ледебуритная эвтектика сотового строения имела микротвердость 1122 Н50 в среднем. Микротвердость изолированного цементита соответствовала 1385 Н50 (1287-1481 Н50). Таким образом, некоторое снижение твердости облученных до 15 минут чугунов обусловлено уменьшением микротвердости металлической основы и измельчением графитных включений пластинчатой формы. Повышение твердости чугуна, облученного в жидком состоянии НЭМИ в течение 20 минут, связано с кристаллизацией ледебуритной эвтектики.

Рис. 1. Влияние продолжительности облучения расплава НЭМИ на кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна (3,7 мас.% С, 1,0 мас.% 51,0,5 мас.% Мп, 0,1 мас.% Р и Б)

Плотность и теплопроводность облученных серых чугунов изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплава. Максимальные значения теплопроводности наблюдались при облучении расплава в течение 10 минут (рис. 1, е). При этом теплопроводность возрастала более чем в 2,0 раза. Плотность при 20°С, наоборот, имеет минимальное значение при 10-минутном облучении расплава НЭМИ (рис. 1, д). Причина повышения теплопроводности пока не установлена. Такой характер изменения теплопроводности наблюдался и в металлах и их сплавах - меди, алюминии бронзе и силуминах (Э.Х. Ри, С.В. Дорофеев и др.).

Из рис. 1, е, следует, что при облучении расплавов НЭМИ в течение 10-15 минут относительная износостойкость Ки уменьшается, что обусловлено снижением микротвердости металлической основы (перлита) и твердости чугуна. Резкое повышение относительной износостойкости при облучении расплава НЭМИ в течение 20 минут связано, как сказано выше, с кристаллизацией ледебуритной эвтектики (рис. 1, г-д).

Коррозионностойкость серого чугуна изменяется от ПОН расплава по экстремальной зависимости с ее максимумом при продолжительностях 10-15 минут (уменьшение показателей коррозии Дш/Э и Коб.щ).

2. Средиекремнистый серый чугун (мас.%: 3,49 С; 1,55 81; 0,39 Мп; 0,06 5 и 0,067 Р).

При увеличении ПОН кристаллизационные параметры („, и повышаются. Время

кристаллизации структурных превращений т„, ъ и -сач также возрастает.

С увеличением ПОН расплавов наблюдается измельчение графитных включений. Также наблюдается измельчение металлической основы по мере повышения ПОН расплава.

Максимальная теплопроводность наблюдается при облучении расплавов НЭМИ, равной 15 мин, и возрастает в 1,4 раза. Твердость и микротвердость металлической основы повышается по мере облучения расплавов НЭМИ до 20 минут. Влияние ПОН на жаростойкость исходного чугуна будет рассмотрено ниже при изучении модифицированных чугунов. Коррозионностойкость чугуна уменьшается по мере увеличения ПОН расплава.

3. Высококремнистый серый чугун (мас.%: 3,4 С; 2,0 Б|'; 0,7 Мп; 0,15 Б и 0,2 Р). Увеличение ПОН расплава способствует снижению температуры начала кристаллизации избыточного аустенита в чугуне, в отличие от низко- и среднекремнистого серого чугуна. Это особенность высококремнистого чугуна обусловлена, во-первых, увеличением эвтектичности расплава под воздействием НЭМИ, а во-вторых, всплыванием неметаллических включений из расплава вследствие нахождения его в более длительное время от температуры облучения (1350°С) до температуры начала кристаллизации аустенита. Кроме того, увеличение ПОН расплава должно уменьшать количество и размеры кластеров в расплаве (дезактивация кластеров), что в конечном итоге приводит к снижению температур начала кристаллизации аустенита и эвтектики. Температурные интервалы кристаллизации аустенита (!„-(") и эвтектики (^ - (") сужаются по мере увеличения ПОН расплава, поэтому время кристаллизации аустенита и эвтектики сокращается. Из-за расширения температурного интервала эвтектоидного превращения время кристаллизации эвтектоида - перлита возрастает по мере увеличения ПОН расплава.

Металлографический анализ необлученных и облученных в жидком состоянии НЭМИ чугунов показал, что увеличение ПОН расплава до 25 мин способствует резкому укрупнению графитных включений пластинчатой формы в связи со смещением состава чугуна в сторону эвтектической концентрации (сближение температур 1л и ["3). В исходном необлученном чугуне наблюдалось различие в размерах графитных включений в зависимости от тепловых условий затвердевания. В структурах облученных в жидком состоянии чугунов НЭМИ выравниваются размеры графитных включений вследствие воздействия мощных наносекундных электромагнитных импульсов. Под воздействием облучения расплава НЭМИ структура металлической основы также претерпевает изменения. Наблюдается тенденция к ферритизации металлической основы. С увеличением длительности облучения расплава НЭМИ твердость чугуна уменьшается из-за снижения

микротвердости перлита и укрупнения графитных включений. Микротвердость феррита незначительно повышается по мере увеличения ПОН расплава.

Некоторое повышение теплопроводности наблюдается при облучении расплава НЭМИ в течение 5 минут. При дальнейшем облучении расплава НЭМИ в течение 10-15 минут теплопроводность чугуна снижается существенно и становится ниже необлученного исходного примерно на 10Вт/(м К). По-видимому, это обстоятельство связано с увеличением протяженности границ раздела структурных составляющих Ф-П, П-Г и Ф-Г.

Плотность чугуна имеет тенденцию снижения от ПОН расплава НЭМИ. При этом износостойкость чугуна незначительно снижается по мере увеличения ПОН расплава, как и твердость НКВ.

Коррозионностойкость чугуна, облученного в жидком состоянии НЭМИ, возрастает по мере повышения ПОН расплава. При ПОН расплава 20-25 мин она увеличивается более чем в 2,0 раза. На жаростойкость чугуна практически не влияет ПОН расплава до температуры 700°С.

Таким образом, в зависимости от содержания кремния и от ПОН расплава существенно изменяются кристаллизационные параметры, структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов

Четвертая глава посвящена исследованию влияния ПОН расплава и последующего модифицирования его кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна (мас.%: 3,4 С; 2,0 0,7 Мп; 0,15 Б и 0,2 Р).

Чугун перегревали до 1550°С и выдерживали при этой температуре в течение 5 минут. После охлаждения расплава со скоростью 20°С/мин до температуры 1350°С производили облучение жидкой фазы НЭМИ в течение 5, 10, 15, 20 и 25 минут, затем модифицирование ферросилицием (ФС-45) в количестве 1,0, 2,0 и 3,0 мае. %, после чего чугун охлаждался с постоянной скоростью 20°С/мин до температуры 500°С.

В зависимости от величины добавки модификатора увеличение ПОН до определенного времени способствует снижению („ и повышению ^. Температурный интервал кристаллизации („ -

^ сужается (рис.2, а). При определенной ПОН расплава температуры ликвидуса и эвтектики сливаются в одну точку, т.е. чугун становится эвтектическим. При длительных продолжительностях облучения расплава НЭМИ температура („ повышается, а температура ^ снижается. Так, например, в чугуне, модифицированном 1,0 мас.% ФС-45, эвтектический состав достигается при облучении расплава НЭМИ в течение 20 минут. В чугуне, модифицированном 2,0 мас.% ФС-45, -15 мин и в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 - 10 мин. Чем больше кремния в исходном чугуне, тем при меньшей ПОН расплава достигается эвтектический состав. При этом значения -Дч/„ и т„ стремятся к нулю, а значения — и х3 - к максимальным значениям.

В чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 температурный интервал кристаллизации эвтектики расширяется и увеличивается степень уплотнения - Д^ и время кристаллизации эвтектики т3 до определенной ПОН, затем при дальнейшем облучении расплава этот интервал сужается и уменьшаются значения -Д^ и ь в области заэвтектического состава. Аналогичная картина наблюдается и в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45. Штриховые линии на рис. 2, а характеризуют предполагаемые линии изменения кристаллизационных параметров чугуна с 3,0 мас.% ФС-45.

Температуры начала и конца Iд, эвтектоидного превращения повышаются по мере увеличения ПОН расплава в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 (до 15-минутного облучения расплава НЭМИ). В чугунах с 2,0 мас.% ФС-45 (при облучении более 15 минут) и 3,0 мас.% ФС-45 увеличение ПОН приводит к снижению температур ^ и ("д1 и уменьшению времени кристаллизации эвтектоида тл1 (рис. 2, б и в). Степень уплотнения при эвтектоидном превращении -&1М возрастает в чугуне с 2,0 мас.% ФС-45, а в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 она практически не изменяется (рис. 2, г).

Микроструктурный анализ не- и облученных НЭМИ чугунов показал, что по мере увеличения ПОН расплава размеры графитных включений возрастают до 20-минутного облучения в чугуне с 1,0мас.% ферросилиция и до 15-минутного облучения чугуна с 2,0 мас.% ферросилиция. При дальнейшем увеличении ПОН расплава до 25 минут наблюдалось измельчение графитной фазы. Такой характер изменения микроструктуры наблюдался и в чугунах с 3,0 мас.% ферросилиция до 10 минут, а при длительных ПОН расплава графитные включения измельчаются.

^ 1200

а

а £

, ё V * 3

¡§-§£3 П о' ° ч 9

5 "Я о

1,0 мас.% ФС-45 а

|н

/ ч~ ^ —

■ ! . __!

. Ц. , ,

—

2,0 мас.% ФС-45 а

3,0 мас.% ФС-45 а

.....Рч!......

5 10 15 20 25

200 100. О

/-Д4 А-Д]; /

К /

\ /

0 5 10 15 20 25

Продолжительность облучения жидкой фазы НЭМИ, мин

Рис. 2. Влияние продолжительности облучения расплава НЭМИ на кристаллизационные параметры серого чугуна марки СЧ20 после дополнительного модифицирования ферросилицием (ФС-45)

Для выяснения причины смещения эвтектической точки под воздействием на расплавы НЭМИ не- и облученные чугуны (0, 2,0 и 3,0 мас.% ФС-45) подвергались микрорентгеноспектрапьному локальному анализу. В исходном чугуне в металлической основе среднее содержание кремния соответствует 2,24 мас.%, а содержание марганца - 0,33 мас.%. Основная масса серы сосредоточена в сульфиде марганца, в котором содержится 36,67 ат.% Б (32,66 мас.% 8) и 36,71 ат.% Мл (55,70 мас.% Мп).

Из рис. 3, а-б следует, что по мере повышения ПОН расплава содержание марганца в металлической основе (продуктах распада переохлажденного аустенита) постоянно увеличивается, а концентрации кремния и углерода (качественный анализ) уменьшаются. Следовательно, можно предположить, что по мере повышения ПОН расплава жидкая фаза обогащается графитизирующими элементами, увеличивая звтеетичность и способствуя кристаллизации графитных включений. Данный эффект усиливается при дополнительном модифицировании чугуна после облучения расплава НЭМИ ферросилицием в количестве 2,0 мас.% (рис. 3, в—г). Как видно, до 15-минутного облучения расплава НЭМИ содержание марганца более интенсивно возрастает, а концентрация кремния и углерода, наоборот, уменьшается. При длительных

облучениях расплава НЭМИ (более 15 минут) содержание марганца в металлической основе уменьшается, а концентрация кремния и углерода возрастает. Следовательно, при 15-минутном облучении модифицированного расплава наблюдается максимальная степень насыщения расплава кремнием и углеродом. По этой причине при 15-минутном облучении расплава НЭМИ достигается эвтектическая концентрация. При этом в структуре наблюдаются максимальное количество и размеры графитных включений.

Повышение ПОН расплава, модифицированного 3,0 мас.% ФС-45, до 15 минут способствует более интенсивному растворению марганца и вытеснению кремния из аустенита (рис. 3, д-е).При этом концентрация углерода возрастает в отличие от исходного и чугуна с 2,0 мас.% ФС-45. Локальный анализ металлической основы показал (рис. 4, а), что в структуре наблюдается зона, где марганец полностью отсутствует.

СЧ 20

%с 6

4

2 »/оЭ!

0 3

2

СЧ 20+3% ФС-45 д

—У;!' I ;_______

- [-Ж с^.....

—Г~1 I

О 5 10 15 Продолжительность облучения расплава НЭМИ. мин

СЧ 20+3%ФС-45

%Кс

95 9 0

•85 .80

СЧ 20

СЧ 20+2%ФС-45 в

ат.%Мп

30

%с 20

8 10

6

4

.ат.%5 %Ре

,40 4

30 2

20 0

ат.%5 %Ке

40 4

30 2

20 0

СЧ 20ч-3%ФС-45 г

ат.%Мп

30 20 10

Ми

/ • « '

ат.%5 %Ге

40 4

30 2

20 0

5 10 1 5 20 25 Продолжительность облучения расплава НЭМИ, мни

Рис. 3. Распределение компонентов в Рис. 4. Распределение компонентов в металлической металлической основе от ПОН основе без марганца (а) и в сульфидах марганца

расплава

В этой зоне присутствуют Яе, и С. Повышение ПОН расплава способствует уменьшению содержания кремния и углерода в избыточном аустените, а концентрация железа, наоборот, возрастает. Можно предположить, что в этой зоне кристаллизуется карбид кремния (ЗЮ),который при затвердевании разлагается с образованием атомарного углерода, насыщающего аустенит, содержащий марганец, углеродом, а кремний ликвируется в расплав (рис. 3, д-е). По этой причине эвтектическая концентрация расплава достигается под воздействием кремния при меньшей ПОН (10 мин.). На рис. 3, д-е приведена гипотетическая штриховая линия, характеризующая распределение компонентов в аустените (продукте распада переохлажденного аустенита). Согласно с этой линией, предполагается достижение эвтектической концентрации при ПОН расплава между 10 и 15 минутами.

В исходном чугуне сульфид марганца кристаллизуется в виде ограненной формы. При облучении расплава НЭМИ до 15 мин наблюдалось измельчение частиц сульфида марганца и превращение его в более компактную форму. При этом содержание Мп и Э уменьшается, а концентрация Ре возрастает. При дальнейшем облучении расплава НЭМИ содержание 5 и Яе возрастает. Стехиометрическое соотношение Мп/Б=1 сохраняется при повышении ПОН расплава (рис. 4, б).

В чугуне с 2,0 мас.% ФС-45 увеличение ПОН расплава приводит к повышению концентрации Мп, Б и Яе до 15-20-минутного облучения расплава НЭМИ с последующим уменьшением их содержания при 25-минутном облучении расплава (рис. 4, в). Аналогичный характер распределения компонентов в сульфидах марганца наблюдается в высококремнистом чугуне с 3,0 мас.% ФС-45. Стехиометрическое соотношение Мпй = 1 сохраняется также в модифицированных ФС-45 чугунах. При этом в исследованных чугунах в сульфидах марганца всегда присутствует железо в количестве от 1,0 до 3,0 - 4,0 мас.% в зависимости от содержания кремния в чугуне и от ПОН расплава.Из рис. 5, а видно, что влияние ПОН расплава на теплопроводность модифицированных ФС-45 чугунов неоднозначно: резкий подъем значений теплопроводности наблюдается лри 5-минутном облучении с последующим ее снижением до продолжительности облучения 15 минут для чугунов, модифицированных 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45, и до 10 минут для чугуна, модифицированного 3,0 мас.% ФС-45. Дальнейшее повышение ПОН расплава способствует вновь увеличению теплопроводности до 25-минутного облучения. При этом значения теплопроводности становятся значительно выше, чем у необлученного и облученного в течение 5 минут чугунов. Следовательно, для повышения теплопроводности модифицированных кремнием чугунов необходимо облучение их расплавов в течение 5 или 25 минут: при 5-минутном облучении расплавов НЭМИ теплопроводность возрастает для чугуна с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 в 1,33 и 1,26 раза, а для чугуна с 3,0 мас.% ФС-45-в 1,28 раза; при 25-минутном облучении расплавов НЭМИ теплопроводность возрастает в 1,44 -1,47 раз для чугунов с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 и в 1,57 раза для чугуна с 3,0 мас.% ФС-45.

Плотность чугуна, модифицированного ферросилицием, изменяется по аналогичной зависимости от ПОН расплава, как теплопроводность (рис. 5, а-б). Наблюдается неоднозначное влияние ПОН расплава на коррозионную стойкость модифицированных кремнием чугунов (рис. 5, б). Максимальная коррозионностойкость чугуна наблюдается при определенной ПОН расплава в зависимости от величины добавки ФС-45. Дальнейшее увеличение ПОН расплава уменьшает коррозионностойкость. Для повышения коррозионностойкости модифицированных чугунов целесообразно облучение расплавов в течение 5-10 минут в зависимости от величины добавки ФС-45.

Твердость и износостойкость чугунов, модифицированных ФС-45 в количестве 1,0-3,0 мас.% увеличиваются по мере повышения ПОН расплавов (рис. 5, в и г). Между твердостью и относительной износостойкостью существует прямая корреляция.

Облучение расплава НЭМИ положительно влияет на жаростойкость (окалиностойкость) модифицированных ФС-45 чугунов (рис. 5, д). Таким образом, для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных кремнием чугунов необходима определенная ПОН расплавов.

I мас.% ФС-45 а

2 мас.% ФС-45 3 мас.% ФС-45 _а_____а

I

¿Д 1

1 ! /7м ^йК

1 \ ! :

ч ! ; ч ...... ЦдКрбнэ.

■

Дш ; ■ .

К(,Я.Н2

' / „

8

-4..............1..........

\

Г

I

|1>«ГС 1 лиге

г...... 501ГС .......Г" .....

О 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 Продолжительность облучения расплава НЭМИ, мни

Рис. 5. Влияние продолжительности облучения расплава НЭМИ на свойства модифицированных ФС-45 чугунов

На следующем этапе исследовалось влияние ПОН расплавов на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида в модифицированных кремнием чугунах методом гамма-проникающих излучений.

Эвтектическая кристаллизация протекает резким уплотнением при температуре начала

кристаллизации эвтектики I" вследствие кристаллизации ледебуритной эвтектики (Ж —> А + Ц|). При дальнейшем охлаждении до температуры конца эвтектического превращения ^ з результате частичной графитизации при эвтектической кристаллизации и распада эвтектического цементита

происходит разуплотнение Данный процесс не прекращается при дальнейшем охлаждении

чугуна и достигает максимума значения + д,1' при определенных температурах 1, (1, <1',) в зависимости от величины добавки ФС-45.

Увеличение ПОН расплава способствует возрастанию доли жидкой фазы эвтектического состава, что подтверждает рост значений -Д^ до 20-минутного облучения расплава НЭМИ при модифицировании 1,0 мэс.% ФС-45, 15-минутного облучения при 2,0 мас.% ФС-45. При этом чем больше величины добавки ФС-45, тем меньше по абсолютной величине значения -Д^ из-за кристаллизации меньшего количества педебуритной эвтектики в момент начала ее кристаллизации. В чугуне с добавкой ФС-45 в количестве 3,0 мас.% ФС-45 максимум значения - Д0!| наблюдается при ПОН расплава до 10 минут включительно. При этом по абсолютной величине значение возрастает по сравнению с чугуном с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45. Это, вероятно, связано с кристаллизацией карбида кремния в составе педебуритной эвтектики.

Величина + возрастает до 20-минутного облучения расплава НЭМИ с 1,0 мас.% и 15-минутного облучения с 2,0 мас.% ФС45. В чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 наблюдается постоянное уменьшение степени разуплотнения + Д^ по мере увеличения ПОН расплава.

После завершения эвтектической кристаллизации при Г, в чугуне с 1,0 мас.% ФС-45 наблюдается дальнейшее разуплотнение + д^ при до ПОН, равной 20 минутам. Увеличение добавки ФС-45 до 2,0 мас.% приводит к уменьшению значений + по мере увеличения ПОН расплава до 25 минут, так как чугун частично графитизируется при эвтектическом превращении. Постоянный рост значений + д^ по мере увеличения ПОН расплава до 25 мин в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 свидетельствует о распаде карбида кремния БЮ с образованием графитной фазы в процессе охлаждения ниже температуры конца эвтектического превращения I',.

Таким образом, уточнены кинетика и механизм кристаллизации эвтектики в чугунах с различным содержанием кремния в зависимости от ПОН расплавов. По аналогичному механизму кристаллизуется эвтекгоид в кремнистых чугунах. Результаты этих исследований приведены в диссертации.

В пятой главе рассмотрено влияние ПОН расплава на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные характеристики чугунов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1, ФСМг-6 и АКЦе.

Исходный чугун перегревали до температуры 1500"С, после пятиминутной выдержки охлаждали до температуры 1350°С и осуществляли модифицирование лигатурами. После модифицирования и перемешивания расплава облучали его НЭМИ в течение 5,10,15,20 и 25 минут.

Влияние лигатуры СИМИШ-1. В качестве исходного сплава использован чугун следующего состава, мас.%: 3,7 С; 1,0 Б!; 0,5 Мп; 0,1 Б и Р. Количество лигатуры варьировать от 1,0 до 3,0 мас.% через 1,0 мас.%.

Металлографический анализ показал, что модифицирование чугуна лигатурой в количестве от 1,0 до 3,0 мас.% привело к кристаллизации педебуритной эвтектики, т.е. к отбелу.

Выбор чугуна с низкой эвтектичностью обусловлен тем, чтобы, во-первых, исключить влияние фактора «формы графитных включений», а во-вторых, учитывать только влияние РЗМ - содержащей лигатуры (СИМИШ-1) на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства белого чугуна при воздействии на расплавы НЭМИ.

Из рис. 6, а-в следует, что при величине добавки лигатуры 1,0 мас.% увеличение ПОН расплава способствует резкому повышению кристаллизационных параметров 1„, 1„,тП, тзи-см.

Увеличение ПОН расплава приводит к кристаллизации мелких графитных включений при 5-минутном облучении НЭМИ. При дальнейшем повышении ПОН расплава наблюдается некоторое

укрупнение графитных частиц, имеющих при больших увеличениях (хЮОО) вермикулярную форму. При

этом большая часть эвтектической жидкости кристаллизуется в виде ледебуритной эвтектики.

Продолжительность кристаллизации структурных составляющих тЛ( тэ, tai изменяется в соответствии с

изменениями кристаллизационных параметров (рис. 6, в).

1%СИМИШ 2% СИМИШ 3% СИМИШ

а

W t " " "

я 1200 о.

& "50 о.

<и

с 1100 Н 1050

jfTRC-

5 50

о i

п

8- 40 а

г- 30

е

Рис 6. Влияние продолжительности облучения на кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных СИМИШ-1 чугуноэ

При модифицировании чугуна СИМИШ-1 в количестве 2,0 мас.% характер изменения кристаллизационных параметров остается таким же, как в чугуне с 1,0 мас.% лигатуры. Однако темп роста температур начала кристаллизации аустенита и эвтектики от ПОН расплава несколько ниже, чем в чугуне с 1,0 мас.% лигатуры. Кроме того, температура начала кристаллизации эатектоида снижается по мере увеличения ПОН расплава. Это явление, вероятно, связано с влиянием РЗМ, препятствующих перлитному превращению, в отличие от чугуна с 1,0 мас.% лигатуры, где преобладает влияние кремния и алюминия на повышение температуры начала эвтектоидного превращения .

Продолжительность кристаллизации аустенита т„ возрастает из-за расширения его температурного интервала кристаллизации ^ - ^. Несмотря на некоторое повышение температуры ^ время кристаллизации ледебуритной эвтектики существенно уменьшается. Продолжительность кристаллизации эвтекгоида не удалось фиксировать, так как эвтектоидное превращение происходит мгновенно.

При большой величине добавки лигатуры (3,0 мас.%) температура начала кристаллизации чугуна 1„ снижается от времени облучения и сближается к температуре начала эвтектического превращения Такое явление наблюдалось при модифицировании чугуна ферросилицием в количестве 1,0-3,0 мае. % и было объяснено увеличением эвтектичности расплава под воздействием НЭМИ. Температура начала кристаллизации эвтектики повышается, а время ее кристаллизации несколько сокращается по мере увеличения продолжительности облучения. Температура начала кристаллизации эвтекгоида (д, существенно снижается до 20-минутного облучения и более интенсивно по сравнению с чугунами, модифицированными 2,0 мас.% лигатуры вследствие тормозящего на этот процесс действия РЗМ.

Металлографический анализ показал, что в чугунах с 3,0 мас.% СИМИШ-1 при увеличении хМОО хорошо видны неметаллические включения компактной формы. Увеличение времени облучения способствует образованию скоплений графита точечной формы.

Увеличение ПОН расплава способствует снижению твердости НВ и микротвердости Ни структурных составляющих чугуна с 1,0 мас.% лигатуры: перлита, цементита и ледебурита. При этом плотность модифицированных чугунов также уменьшается (рис. 6, г-д). В чугунах, модифицированных СИМИШ-1 в количестве 2,0 и 3,0 мас.%, кристаллизуется изолированная от ледебурита ферритная структура в районе скопления точечных графитных включений, микротвердость которой возрастает для чугуна с 3,0 мас.% или уменьшается для чугуна с 2,0 мас.% лигатуры (рис, 6, г).

В большинстве случаев физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных чугунов изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплавов (рис. 6, е):

1. Максимальная теплопроводность модифицированных чугунов наблюдается при обработке расплавов НЭМИ в течение 10 минут; она возрастает: для немодифицированного чугуна в 2,26 раз; для модифицированного 1,0 мас.% лигатуры чугуна в 2,06 раз; для модифицированного 2,0 мас.% лигатуры чугуна в 1,66 раз; для модифицированного 3,0 мас.% лигатуры чугуна в 1,56 раз.

Прирост теплопроводности при облучении расплава НЭМИ (10 мин.) зависит от величины добавки лигатуры: чем больше количество введенной лигатуры, тем меньше прирост теплопроводности. Это обстоятельство связано с насыщением чугуна кремнием, алюминием и загрязнением расплава неметаллическими включениями.

2. Величина относительной износостойкости чугуна от ПОН расплава зависит от количества добавки модификаторов (рис. 6, е):

- при добавке 1,0 мас.% лигатуры относительная износостойкость чугуна снижается до 20-минутного облучения расплава НЭМИ в соответствии с уменьшением твердости и микротвердости структурных составляющих;

- при больших добавках СИМИШ-1 2,0-3,0 мас.% износостойкость чугуна изменяется по экстремальной зависимости от времени облучения; максимальная износостойкость наблюдается

при облучении расплава НЭМИ, равной 10 минутам; твердость при этом практически не изменяется, хотя микротвердость структурных составляющих уменьшается; исключением является чугун с 3,0 мас.% лигатуры, где микротвердость феррита постоянно возрастает до 20 минутного облучения расплава НЭМИ;

Повышение относительной износостойкости чугуна при 10 минутном облучении при увеличении добавки СИМИШ-1 от 2,0 до 3,0 мас.%, по-видимому, связано с образованием компактных включений продуктов раскисления - неметаллических включений, несмотря на ферритизацию металлической основы.

3. Коррозионностойкость модифицированных чугунов изменяется также по экстремальной зависимости с максимумом при облучении расплава, равной 10 минутам (рис. 6, е); для модифицированного 1,0 мас.% лигатуры чугуна она возрастает в 2,18 (Дт/э) и 2,13 (Коб.нг) раз; для модифицированного 2,0 мас.% лигатуры чугуна она увеличивается в 2,18 (Дт/э) и 2,0 (Коб.нг) раз; для модифицированного 3,0 мас.% лигатуры чугуна она возрастает в 1,73 (Дт/э) и 1,75 (Ком) раз. С повышением величин добавки лигатуры СИМИШ-1 прирост коррозионной стойкости под воздействием НЭМИ уменьшается из-за увеличения протяженности границ раздела структурных составляющих и загрязнения сплава неметаллическими включениями.

Выше исследованные отбеленные не- и модифицированные СИМИШ-1 чугуны подвергались графитизирующему отжигу по следующему режиму: нагрев до температурь! 950°С, выдержка при этой температуре в течение 2 часов и охлаждение вместе с печью до комнатной температуры. Зависимость теплопроводности от ПОН расплавов сохраняется после отжига: максимальная теплопроводность также наблюдается при ПОН расплавов, равной 10 минутам. При этом теплопроводность немодифицированного чугуна в литом состоянии значительно выше теплопроводности графитизированного чугуна. При модифицировании чугуна 2,0...3,0 мас.% лигатуры теплопроводность чугуна в литом и отожженном состояниях практически не отличается. Таким образом, теплопроводность не- и модифицированного чугуна существенно не зависит от формы присутствия углерода в чугунах (в виде цементита или графита). Влияние НЭМИ на расплавы, по-видимому, обусловлено изменением тонкой структуры на атомном уровне.

Влияние лигатуры ФСМг-6 (ЦНИИТМАШ). Чугун имел следующий состав (мас.%: 3,49 С; 1,55 Б!'; 0,39 Мп; 0,06 в и 0,067 Р).

По мере увеличения добавки лигатуры ФСМг-6 графитные включения измельчаются и увеличивается доля ферритной структуры в зоне скопления графитной фазы пластинчатой формы. Только при добавке 2,5 мас.% лигатуры графитные включения приобретают шаровидную форму. Включения шаровидного графита окаймлены ферритной оболочкой. В модифицированных чугунах с 1,0 и 1,5 мае. % ФСМг-6 наблюдается тенденция повышения температур начала кристаллизации аустенита 1л, эвтектики ^ и звтектоида по мере увеличения ПОН до 20 минут (рис. 7, а и б).

Продолжительность кристаллизации структурных составляющих изменяется в соответствии с изменением кристаллизационных параметров („, и (рис. 7, в). Совершенно по иному влияет ПОН расплавов при добавке 2,5 мас.% лигатуры ФСМг-6 на кристаллизационные параметры. Увеличение ПОН расплавов способствует снижению температуры кристаллизации аустенита 1„ и повышению температуры начала кристаллизации эвтектики Ь. Температура начала и конца эвтектоидного превращения изменяется по экстремальной зависимости от времени облучения с максимумом при 15 минутном облучении. Кроме того, при 15-минутном облучении расплава НЭМИ сближаются температуры 1„ и I", т.е. чугун становится эвтектическим. Время кристаллизации аустенита и эвтектики изменяется в соответствии с изменениями температур кристаппизации 1Л и . Продолжительность эвтектоидного превращения хм изменяется по обратной зависимости от

Металлографический анализ облученных НЭМИ модифицированных 1,0...1,5 мас.% лигатурой чугунов показал, что по мере повышения ПОН графитные включения резко измельчаются и появляются участки мелкодисперсной графитной фазы на фоне ферритной структуры. При облучении

расплава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в течение более 5 минут графитные включения резко диспергируются и принимают точечную форму. Металлическая основа ферритизируется,

1,0 мас.% ФСМг-6 1

1,5 мас.% ФСМг-6 а

2,5 мас.% ФСМг-6

1,5 мас.% ФСМг-б г

5 10 15 20

2,5 мас.% ФСМг-6

и

Ш

£ ь

о о п-о

Н*

500 400' 300 200

Ф -7 п ----- „НЙВ___

( 1

НИВ

90

80 70 «

60

"50

5(Ю|

400 300 200

п |

..... ---------......

ф Г\

л.__1-»

, , [

НИВ

90

80 70 «)

зо

; £(£)

- г0% /А

■■ 1

,—>-ХГ.5%ФСМг-6

15 20 0 5 10 15 20

Продолжительность облучения расплава НЭМИ, мин

Рис. 7. Влияние продолжительности облучения на кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных 1,5 и 2,5 мас.% ФСМг-6

Наблюдаемое изменение формы графита от шаровидной (без облучения НЭМИ) до точечной при облучении расплава более 5 минут, по-видимому, можно объяснить угаром модифицирующего элемента - магния. Следовательно, облучение расплава должно быть осуществлено до модифицирования. Результаты этих исследований приведены ниже.

Увеличение ПОН расплава способствует снижению твердости (рис. 7, г), хотя микротвердость феррита и перлита возрастают. Снижение твердости модифицированных чугунов можно объяснить увеличением ферритной составляющей в структуре облученных НЭМИ чугунов, исчезновением включения графита шаровидной формы и образованием мелких графитных включений.

Теплопроводность модифицированных чугунов, как и исходных, изменяется по экстремальной зависимости от времени облучения их расплавов НЭМИ с максимумами при продолжительности облучения, равной 15 мин. (рис. 7, д). При этом теплопроводность возрастает: в исходном чугуне в 1,6 раз; в модифицированном 1,5 мае. % ФСМг-6 - в 1.5 раз; в модифицированном 2,5 мае. % ФСМг-6 - в 1,4 раза. Коррозионностойкость немодифицированного чугуна уменьшается от ПОН раеллава до 20 мин (рис. 7, ж). Коррозионностойкость модифицированного 1,5 мас.% ФСМг-6 практически не изменяется до ПОН расплава, равной 10-15 мин, а затем при 20-минутной обработке она снижается резко. В модифицированном 2,5 мас.% ФСМг-6 чугуне коррозионностойкость изменяется по сложной зависимости от времени облучения расплава НЭМИ (рис. 7, ж): она увеличивается до 5-минутного облучения, а затем уменьшается до 15 мин с последующим возрастанием до 20 мин.

Можно сделать вывод о том, что модифицированные чугуны обладают более высокой коррозионностойкостью, чем ^модифицированный. Для повышения теплопроводности и износостойкости модифицированных чугунов необходимо облучение расплавов в течение 15 мин.

Исследовано влияние ПОН расплава на жаростойкость (прирост массы образца) не- и модифицированных чугунов в температурных интервалах 200...500°С; 550...700°С; 750...1000°С на дериватографе О-ЮОО. Установлено, что до 500°С ПОН расплава практически не влияет на окалиностойкость исходного чугуна. В высокотемпературном интервале испытаний (750...1000°С) проявляется отрицательное влияние облучения расплава НЭМИ, начиная с 5-мииутного облучения немодифицированного чугуна, а в модифицированных чугунах, наоборот, облучение расплава НЭМИ до 15 минут способствует повышению жаростойкости. Только длительное облучение расплава НЭМИ (20 мин) резко ухудшает жаростойкость модифицированных чугунов.

Влияние ПОН расплава и последующего модифицирования лигатурой АКЦе (мас.%: 20 А1; 3 Са; 25 РЗМ, остальное Ре). Модифицированный ФСМг-6 в количестве 2,5 мас.% чугун прежнего состава имел структуру с шаровидным графитом. После переплава при температуре 1350°С, из-за угара магния, графит шаровидной формы превращается в мелкодисперсные включения графита пластинчатой формы. В связи с этим, поспе облучения магниевого расплава НЭМИ (5, 10, 15 и 20 минут) дополнительно модифицировали расплав безкремнистой лигатурой АКЦе в количестве 1,0, 1,25 и 1,5 мас.%. При введении 1,0 мас.% лигатуры графитные включения имели вермикупярную форму, а при добавке 1,25 мас.% лигатуры графитные включения полностью приобретают шаровидную форму. При дальнейшем увеличении добавки лигатуры до 1,5 мас.% чугун полностью отбеливается.

До 10-минутного облучения расплава НЭМИ и при последующем модифицировании чугуна лигатурой АКЦе (1,25 мас.%) шаровидная форма графита сохраняется. При длительном облучении расплава НЭМИ (15...20 мин) наблюдается некоторое ухудшение формы графита с образованием включений вермикулярной и пластинчатой формы.

Максимальная теплопроводность чугуна наблюдается при 5-минутном облучении расплава НЭМИ. Она возрастает по сравнению с необлученным чугуном в 1,4 раза. Исходный магниевый чугун имел теплопроводность 22,25 Вт/(м -К), а облученный в течение 5 минут НЭМИ чугун, дополнительно модифицированный АКЦе (1,25 мас.%), - 27 Вт/(м К).

Следовательно, полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что общепринятое мнение о низкой теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с серым чугуном (почти в 2,0 и более раз) вызывает сомнения ло следующим причинам:

- во-первых, модифицирующие лигатуры на основе Мд и РЗМ содержат повышенное содержание кремния и других элементов (Са, А1 и др.), следовательно, более загрязнен высокопрочный чугун с шаровидным графитом;

- во вторых, объемная доля шаровидного графита с низкой теплопроводностью из-за огранения базисной плоскостью (0001) при кристаллизации графита значительно меньше, чем объемная доля металлической основы; следовательно, эффект влияния формы графита на общую теплопроводность чугуна не должен быть лимитирующим.

Предварительная обработка расплава НЭМИ с определенной продолжительностью (5... 10 мин) и последующее модифицирование его лигатурой - единственный путь повышения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Общие выводы:

1. Установлено влияние ПОН расплава (5, 10, 15, 20 мин) на кристаллизационные параметры и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна (3,4...3,7 мас.% С) с различным содержанием кремния (1,0,1,55 и 2,0 мас.%):

- увеличение ПОН расплава низкокремнистого чугуна способствует повышению температуры начала кристаллизации избыточного аустенита и снижению температур начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида; в высококремнистом чугуне увеличение ПОН расплава способствует снижению температуры начала кристаллизации аустенита и сближению температур ликвидуса и эвтектики; по характеру влияния ПОН расплава на кристаллизационные параметры среднекремнистый чугун занимает промежуточное положение между вышеуказанными чугунами;

- под воздействием НЭМИ графитные включения измельчаются в низко- и среднекремнистом чугунах, а в высококремнистом чугуне, наоборот, наблюдается резкое укрупнение графитной фазы до 25-минутного облучения расплава НЭМИ в связи со смещением состава чугуна в сторону большей эвтектичности;

- физикико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна с различным содержанием кремния существенно зависят от ПОН расплава; теплопроводность и коррозионностойкость чугуна возрастают в 2,0 раза, а плотность, износостойкость, твердость и микротвердостъ структурных составляющих чугуна несколько снижаются.

2. Установлено влияние ПОН расплава и последующего модифицирования его кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна:

- в зависимости от величины добавки ФС-45 (1,0,2,0 и 3,0 мас.%) увеличение ПОН расплава до определенного времени способствует снижению („ и повышению ^; температурный интервал кристаллизации сужается и при определенной ПОН расплава температуры кристаллизации избыточного аустенита и эвтектики сливаются в одну точку, т.е. чугун становится эвтектическим; чем больше содержание кремния в чугуне, тем при меньшей ПОН расплава достигается эвтектический состав;

- температуры начала кристаллизации эвтектоида повышаются по мере увеличения ПОН расплава в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 (до 15-минутного облучения расплава НЭМИ); в чугунах с 2,0 мас.% (при облучении более 15 минут) и 3,0 мас.% ФС-45 увеличение ПОН приводит к снижению температур начала и конца эвтеетоидного превращения и сокращению времени этого превращения;

- по мере увеличения ПОН расплава размеры графитных включений возрастают до 20-минутного облучения расплава в чугуне с 1,0 мас.% ФС-45, до 15-минутного облучения расплава с 2,0 мас.% и до 10-15-минутного облучения расплава НЭМИ с 3,0 мас.% ФС-45;

при дальнейшем увеличении ПОН расплава до 25 минут наблюдалось измельчение графитной фазы;

- для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных кремнием чугунов необходима определенная ПОН расплавов.

3. Установлены особенности кристаллизации эвтектики и эвтектоида при воздействии на расплавы НЭМИ методом гамма-проникающих излучений:

4. увеличение ПОН расплава с различным содержанием кремния (1,0, 2,0 и 3,0 мас.% ФС-45 способствует возрастанию доли эвтектической жидкости; при этом в начальный момент эвтектического превращения (1") кристаллизуется педебуритная эвтектика с резким уплотнением расплава (-Д^); степень уплотнения расплава зависит от ПОН и содержания кремния в чугуне; чем выше содержание кремния в чугуне, тем больше степени уплотнения - д^;

- в интервале температур эвтектического превращения I, - (" происходит разуплотнение гетерофазного расплава ( + вследствие кристаллизации графитной эвтектики или распада эвтектического цементита; степень разуплотнения расплава зависит от ПОН и концентрации кремния в чугуне; величина возрастает до определенного времени обработки расплава НЭМИ в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45, а в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 наблюдается постоянное уменьшение степени разуплотнения по мере увеличения ПОН расплава вследствие кристаллизации карбида кремния БЮ в составе эвтектики;

- после завершения эвтектической кристаллизации при I" в чугуне наблюдается дальнейшее разуплотнение +Д^а< при ^ до определенной продолжительности обработки НЭМИ в зависимости от величины добавки ФС-45; постоянный рост значений +^1' по мере увеличения ПОН расплава до 25 минут в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 свидетельствует о распаде карбида кремния БЮ с образованием графитной фазы в процессе охлаждения ниже температуры конца эвтектического превращения

- по аналогичному механизму происходит эвтектоидная кристаллизация.

5. Установлено влияние ПОН расплавов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1 и ФСМг-6 чугунов, на их процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства:

- увеличение ПОН расплава способствует повышению кристаллизационных параметров 1п и (в чугуна, модифицированного лигатурами СИМИШ-1 и ФСМг-6; при больших добавках лигатур (2,5...3,0 мас.%) температура начала кристаллизации аустенита снижается, а температура начала кристаллизации эвтектики повышается по мере увеличения ПОН расплава, т.е. чугун становится эвтектическим;

- температура начала эвтектоидного превращения повышается при 1,0 мас.% СИМИШ-1 и до 2,5 мас.% ФСМг-6; при больших добавках СИМИШ-1 наблюдается резкое снижение температуры начала кристаллизации эвтектоида из-за тормозящего действия на перлитное превращение РЗМ по мере повышения ПОН расплава;

- максимальная теплопроводность модифицированных СИМИШ-1 и ФСМг-6 чугунов наблюдается при обработке расплавов НЭМИ соответственно в течение 10 и 15 минут; при этом в среднем теплопроводность возрастает в 1,5 раза;

- эксплуатационные свойства модифицированных чугунов в большинстве случаев изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплавов.

6. Модифицирование чугуна для получения шаровидного графита должно быть осуществлено после обработки расплава НЭМИ; при модифицировании чугуна лигатурой АКЦе (1,25 мас.%) шаровидная форма графита сохраняется в течение 10-минутной обработки расплава НЭМИ;

предварительная обработка расплава НЭМИ с определенной продолжительностью и последующее модифицирование его лигатурами - единственный путь повышения теплопроводности чугуна с шаровидным графитом.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ri Е.Н. Kinetics and mechanism of metal crystallization under influence of melt irradiation by nanosecond electromagnetic impulses in the cast iron of mark СЧ 20 modified by silicon I Ri E.H., Zirnikova E.B., Ri Hosen, Shershov АР. II «Modem materials and technologies 2007»: Materials of international VIII Russia-China Symposium : two volumes. - Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - vol. 2. - C. 189-194.

2. Ри Э.Х. Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики под воздействием облучения расплава наносекундными электромагнитными импульсами в модифицированном кремнием чугуне марки СЧ 20 / Э.Х, Ри, Е.Б. Кухаренко, Хосен Ри, А.П. Ширшов II Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета: Вып. 8. Структурообразование и интеллектуальные технологии синтеза наноматериалов : сборник научных трудов. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 83-88.

3. Ри Э.Х. Исследование влияния продолжительности облучения расплавов и последующего модифицирования их кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна марки СЧ20 I Э.Х. Ри, Е.Б. Кухаренко, Хосен Ри, А.П. Ширшов II Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета : Вып. 8. Структурообразование и интеллектуальные технологии синтеза наноматериалов: сборник научных трудов. -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 89-94.

4. Ри Э.Х. Механизм и кинетика кристаллизации эвтектики и эвтекгоида в модифицированном кремнием чугуне СЧ 20, облученном в жидком состоянии наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) I Э.Х. Ри, Е.Б. Кухаренко, Хосен Ри II Литейщик России. - №8. - 2008. С. 20-23.

5. Ри Э.Х. Влияние электромагнитной обработки на кристаллизацию и структурообразование чугунов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1 и ФСМг-6 / Э.Х. Ри, Е.Б. Кухаренко, X. Ри II Ползуновский альманах. - № 3. - 2008. - Материалы IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств». - Барнаул: Изд-во АлтГТУ. - 2008. - С. 151 -152.

6. РиЭ.Х. Влияние облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурой СИМИШ-1 чугунов I Э.Х. Ри, Е.Б. Кухаренко, Хосен Ри II Ползуновский альманах. - № 3. - 2008. - Материалы IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств». - Барнаул: Изд-во АлтГТУ. - 2008. - С. 185 -186.

7. Ри. Э.Х. Физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных ФСМг-6 чугунов, облученных наносекундными электромагнитными импульсами II Э.Х. Ри, Е.Б. Кухаренко, Хосен Ри II Ползуновский альманах. - № 3. - 2008. - Материалы IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств». - Барнаул: Изд-во АлтГТУ. -2008.-С. 201 -202.

8. Ri Е.Н. The mechanism and kinetics of eutectic and eutectoid crystallization in cast-iron СЧ 20 modified by silicon irradiated in a liquid condition by nanosecond electromagnetic impulses (NEMI) I E.H. Ri, E.B. Kuharenko, Hosen Ri, A.P. Shershov II 2008 JCRSAMPT. Joint China-Russia symposium «Advanced materials processing technology»: Harbin, P.R. China, 2008. P. 266-271.

9. Положительное решение на выдачу патента на изобретение №2007124217/02 (026376) «Способ обработки расплава серого чугуна наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения теплопроводности и коррозионной стойкости». Приоритет изобретения от 27.06.2007 г. Авторы: Ри Э.Х., Кухэренко Е.Б., Ри Хосен и др.

КУХАРЕНКО ЕЛЕНА БОРИСОВНА

УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЧУГУНОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАСПЛАВЫ НАНОСЕКУНДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.01.09. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура Arial Narrow. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 7

Отдел цифровой полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

Введение.

Глава 1 Проблемы повышения качества и свойств отливок из чугунов путем физико-химических и механических воздействий на расплавы (обзор литературы).

1.1 Классификация методов внешнего воздействия на расплавы металлических сплавов.

1.2 Физическое воздействие на расплавы для повышения качества и свойств железоуглеродистых и других металлических сплавов.

1.2.1 Термовременная и термоскоростная обработка жидких чугунов.

1.2.2 Импульсное воздействие.

1.2.3 Электромагнитное воздействие.

1.2.4 Метод электровзрывного воздействия.

1.2.5 Вибрация.

1.2.6 Ультразвуковое воздействие.

1.2.7 Перемешивание.

1.3 Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2 Методики и объекты исследований.

2.1 Схема и методика облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ).

2.2 Методика определения кристаллизационных параметров гамма-проникающим излучением.

2.3 Стандартные методы исследования структур и свойств металлов

2.4 Методики измерения физических свойств.

2.4.1 Измерение теплопроводности.

2.4.2 Измерение электросопротивления.

2.4.3 Измерение плотности.

2.5 Методики определения эксплуатационных свойств.

2.5.1 Измерение э/саростойкости с применением дериватографа.

2.5.2 Исследование коррозионностойкости.

2.5.3 Исследование износостойкости.

2.6 Микрорентгеноспектральный анализ.

Глава 3 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ (ПОН) на его строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов.

3.1 Низкокремнистый серый чугун.

3.2 Среднекремнистый серый чугун.

3.3 Высококремнистый серый чугун.

3.4 Исследование влияния температуры облучения на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов.

3.5 Выводы.

Глава 4 Исследование влияния продолжительности облучения расплавов НЭМИ и последующего модифицирования их кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна СЧ 20.

4.1 Кристаллизация и структурообразование.

4.2 Физико-механические свойства.

4.3 Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида при воздействии на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами.

4.4 Выводы.

Глава 5 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурами (СИМИШ-1 и ФСМг-6) чугунов.

5.1 Влияние лигатуры СИМИШ-1 на кристаллизационные параметры и процесс структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна.

5.2 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурой СИМИШ-1 чугунов.

5.2.1 Кристаллизация и структурообразование.

5.2.2 Физико-механические и эксплуатационные свойства.

5.3 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурой ФСМг-6 чугунов.

5.3.1 Влияние лигатуры ФСМг-6 на кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов.

5.3.2 Влияние продолжительности облучения расплавов НЭМИ на кристаллизационные параметры, структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных ФСМг-6 чугунов.

5.3.2.1 Кристаллизация и структурообразование. 112'

5.3.2.2 Физико-механические и эксплуатационные свойства.

5.3.3 Исследование влияния облучения расплава НЭМИ и последующего модифицирования лигатурой АКЦе на процессы кристаллизации и свойства чугуна.

5.4 Выводы.

Изучению процесса структурообразования серых легированных чугунов посвящено много исследований [1—14]. В первую очередь следует назвать монографии Н.Н.Александрова и Н.И. Клочнева [12-14], К.П.Бунина, Я.Н. Малиночки, Ю.Н. Тарана [2], В.И. Мазура [3], Ю.Г. Бобро [4,5],

H.Г. Гиршовича [8], Е. Пивоварского [6,7], Ри Хосена [9-10], в которых вопросы металловедения и графитизации чугуна изложены фундаментально, раскрыты механизмы многих процессов и установлены взаимосвязи технологических параметров со структурой и свойствами чугуна. К наиболее важным качественным критериям литья относятся физико-механические свойства.

Одним из эффективных направлений решения проблемы повышения качества и свойств чугунных отливок является разработка технологии, основанной на использовании физико-химико-механических воздействий на кристаллизующиеся расплавы. В этом отношении представляет теоретический и практический интерес применение в процессах плавки наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ). Они образуют локальные поля высокой мощности и напряженности и тем самым создают условия для управления микроструктурой и комплексом свойств металлических сплавов.

Авторами работ [15-17] установлено, что облучение жидкой фазы НЭМИ в течение 10. 15 минут существенно изменяет физические свойства металлических расплавов (силуминов, бронзы, цинковых и магниевых) в жидком и твердом состояниях, повышает их физико-механические и эксплуатационные характеристики. Так например, теплопроводность этих сплавов при облучении расплавов НЭМИ в течение 10. 15 минут возрастает в

I,5.2,0 раза.

В связи с этим, представляет большой практический интерес проведение подобных исследований в чугунах с целью повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств.

Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках:

- Гранта Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края. Государственный контракт № 15-344 (2007 г.) «Разработка новой технологии плавки металлических сплавов (медных, алюминиевых, магниевых, чугунов) путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств»;

- Тематики Института Материаловедения ХНЦ ДВО РАН «Методологические, физико-химические и технологические основы создания функциональных материалов и покрытий с мелкокристаллической и аморфной структурой при концентрированном энергетическом воздействии». № 020.0 602402 (2006 - 2008 гг.): № 1.3.08 «Исследование влияния облучения наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства литейных металлических сплавов».

Цель работы заключалась в исследовании влияния продолжительности облучения расплавов НЭМИ (ПОН) на процессы кристаллизации и структурообразования и разработке на этой основе технологии обработки расплава НЭМИ с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств белого, серого и высокопрочного чугунов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния продолжительности облучения НЭМИ (ПОН) расплава наносекундными электромагнитными импульсами на процессы кристаллизации и структурообразования, формирование физико-механических и эксплуатационных свойств низко-, средне- и высококремнистых серых чугунов.

2. Исследование процесса модифицирования чугуна кремнием с последующей обработкой расплава НЭМИ на кристаллизацию и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна.

3. Исследование влияния ПОН расплава и последующего модифицирования его кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна.

4. Исследование влияния ПОН расплава на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида в модифицированных кремнием чугунах методом гамма-проникающих излучений.

5. Исследование влияния облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1, ФСМг-6 и АКЦе.

6. Совершенствование технологии плавки чугунов с применением облучения расплавов НЭМИ для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые проведено комплексное исследование влияния ПОН расплавов на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические (теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства серого и модифицированных чугунов:

1. Установлена общая закономерность изменения кристаллизационных , t А1> Tai, ~AJn, — AJ3, — AJa1) параметров серых чугунов с различным содержанием кремния (1,0, 1,55, 2,0 мас.%). Для низкокремнистого чугуна увеличение ПОН расплава способствует повышению температуры начала кристаллизации аустенита и чугун становится менее эвтектичным. Для высококремнистого чугуна наблюдается, наоборот, снижение температуры начала кристаллизации аустенита и чугун становится более эвтектичным по мере увеличения ПОН расплава. При этом температуры начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида снижаются.

- обработка расплава НЭМИ до определенной ПОН расплава до (15 мин.) способствует измельчению графитных включений, а при 20-минутном облучении низкокремнистый серый чугун отбеливается, в высококремнистых чугунах, наоборот, — росту количества и размеров графитных включений пластинчатой формы и ферритизации металлической основы;

- максимальные значения теплопроводности низкокремнистого чугуна наблюдаются при ПОН расплава, равной 10 минутам, при этом теплопроводность возрастает в более чем 2,0 раза; среднекремнистого чугуна при ПОН расплава 5 минут она возрастает в 1,4 раза, а высококремнистого чугуна при ПОН расплава 15 минут она возрастает в 1,4. .1,5 раз;

- физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплава; для достижения максимальных свойств' необходима определенная ПОН расплава.

2. Облучение расплава НЭМИ и последующее модифицирование кремнием (ФС-45 в количестве 1,0, 2,0 и 3;0 мас.%) коренным образом изменяют кристаллизационные параметры, структурообразованйе, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна:

- увеличение ПОН расплава способствует к снижению температур начала кристаллизации аустенита (t„) и повышению температуры начала кристаллизации, эвтектики; при определенной ПОН расплава достигается эвтектический состав (при 1,0 мас.% ФС-45 - 20-минутном, при 2,0 мас.% ФС-45 -15-минутном и 3,0 мас.% - 10-минутном облучении расплава НЭМИ); при этом наблюдаются максимальные степень уплотнения расплава при эвтектическом превращении и время кристаллизации эвтектики; дано научное обоснование установленным зависимостям смещения состава сплава в сторону большей эвтектичности;

- по мере увеличения ПОН расплава количество и размеры графитных включений возрастают до определенной продолжительности облучения (до 20 минут для чугуна с 1,0 мас.%, 15 минут для чугуна с 2,0 мас.% и 10 минут для чугуна с 3,0 мас.% ФС-45);

- температура начала кристаллизации эвтектоида повышается по мере увеличения ПОН в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 (до 15-минутного облучения расплава), а в чугунах с 2,0 (при облучении более 15 мин) и 3,0 мас.%) ФС-45,наоборот, снижается; при этом наблюдаются максимумы степени уплотнения чугуна и времени кристаллизации эвтектоида;

- для повышения теплопроводности модифицированных кремнием серых чугунов необходимо облучение расплавов в течение 5-10 мин. (в среднем возрастает теплопроводность в 1,44. 1,57 раза) в зависимости от содержания кремния;

- для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных кремнием чугунов необходима определенная ПОН расплавов.

3. Установлено влияние ПОН расплава на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида чугуна с различным содержанием кремния, дано научное обоснование установленным зависимостям.

4. Уточнены причины снижения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с серым чугуном и установлено влияние ПОН расплава на процесс формирования шаровидного графита, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных чугунов:

- независимо от формы присутствия углерода (в виде цементита или графита) максимальная теплопроводность наблюдается при ПОН, равной 10. 15 минут в зависимости от вида лигатур (СИМИПЫ, ФСМг-6, АКЦе);

- повышение ПОН расплава (до и после модифицирования) более 10 минут создает неблагоприятные условия для формирования шаровидного графита; кратковременное облучение и последующее модифицирование - единственный путь повышения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, приближающейся к теплопроводности исходного немодифицированного чугуна;

- основными причинами снижения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются насыщение сплава основными компонентами лигатур (Si, Al, Са и др.) и загрязнение его неметаллическими включениями.

5. Для достижения максимальных физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов необходима определенная продолжительность облучения расплавов НЭМИ.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование полученных результатов позволило установить пути воздействия на процессы кристаллизации и структурообразования, дало возможность управления физико-механическими и эксплуатационными свойствами не- и модифицированных чугунов, осуществляя выбор температуры и времени воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами. Для выявления дополнительных резервов повышения физико-механических и эксплуатационных свойств всех видов чугунов и других металлических сплавов предложена новая технология их плавки с дополнительным кратковременным облучением расплавов наносекундными электромагнитными импульсами. Получен диплом в номинации «Лучшая инновация года в литейном производстве» за разработку «Технологии плавки металлов и сплавов с использованием наносекундных электромагнитных импульсов» на XIII Международной выставке-конкурсе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» как лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения. 11-14 марта 2008 г., г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на восьмом съезде литейщиков России (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.), а также VIII Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии 2007» (г. Хабаровск, 2007 г.), IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных статей. Получено 1 положительное решение на выдачу патента. Материалы диссертации приведены также в отчетах по Грантам и Программам, выполненным при участии автора.

На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Результаты исследования влияния продолжительности облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (ПОН) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов.

2. Результаты исследования влияния ПОН на процессы эвтектического и эвтектоидного превращения методом гамма-проникающих излучений.

3. Результаты влияния ПОН на характер распределения компонентов в различных структурных составляющих серого чугуна.

4. Результаты исследования влияния ПОН на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных сфероидизирующими графитные включения лигатурами.

5. Рекомендуемые технологии плавки серых и модифицированных чугунов для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.

Достоверность научных результатов.

Достоверность экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования металлов и сплавов.

Личный вклад автора.

Автору принадлежит постановка отдельных задач исследования, проведение опытных плавок, изучение процессов кристаллизации и структурообразования, комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов, обработка и анализ полученных результатов и формулирование выводов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 1 таблицу, библиографию из 105 наименований.

5.4. Выводы

Установлено влияние ПОН расплавов на их строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов.

1. Обработка расплава низкокремнистого чугуна (мас.%: 3,7 С; 1,0 Si; 0,5 Мп; 0,1 Р и S) приводит к постоянному росту температуры начала кристаллизации избыточного аустенита и снижению температур начала и конца эвтектического превращения и в соответствии с расширением температурных интервалов кристаллизации увеличиваются степени уплотнения гетерофазного расплава (А+Ж) — Д1Л и эвтектики -AJ3 и продолжительность их кристаллизации (тл и тэ). По мере увеличения ПОН расплава до 20 минут температуры начала tHAi и конца tKA1 эвтектоидного превращения и время кристаллизации эвтектоида постоянно уменьшаются;

- обработка расплава НЭМИ до 15 мин включительно способствует измельчению графитных включений, при длительном облучении (20 мин) чугун отбеливается;

- максимальные значения теплопроводности и коррозионностойкости и минимальные относительная износостойкость, твердость и микротвердость структурных составляющих чугуна наблюдаются при ПОН, равной !0 минутам. Теплопроводность возрастала в 2,0 и более раз, а коррозионностойкость — в более 1,7 раза;

2. Обработка расплава среднекремнистого чугуна (мас.%: 3,49 С; 1,55 Si; 0,39 Mn; 0;067 Р и 0,06 S) НЭМИ до 20 минут повышает температуры t"o> t'A[ и время их кристаллизации. Максимальная теплопроводность чугуна (в 1,5 раза)-наблюдалась при ПОН, равной 15 минутам и при этом одновременно повышались твердость, микротвердость феррита и перлита, а коррозионностойкость несколько снижалась;

3. Обработка высококремнистого серого чугуна (мас.%: 3,4 С; 2,0 Si; 0,7' Mn; 0,2 Р' и 0,15 S) в жидком состоянии НЭМИ до 25 минут способствует снижению температур начала кристаллизации-избыточного аустенита и эвтектики и сужению температурных интервалов их кристаллизации, в соответствии- с этим сокращается1 продолжительность кристаллизации аустенита и эвтектики. Твердость чугуна и микротвердость перлита уменьшаются, а микротвердость феррита практически не изменяется- до 25-минутного облучения расплава НЭМИ. Облучение расплава также снижает плотность и износостойкость чугуна. Максимальная теплопроводность отмечается при ПОН, равной 5 минутам. Максимальная жаростойкость чугуна в интервале температур 200 - 700°С соответствует ПОН расплава, равной 5 минутам.

4.-Обработка расплава высококремнистого чугуна (СЧ' 20) и последующее его модифицирование ферросилицием ФС-45 (1,0, 2,0, 3,0 мас.%) существенно изменяют процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна:

- в зависимости от величины добавки ФС-45 увеличение ПОН до определенного времени способствует снижению tj, и повышению tH3; при определенной ПОН расплава достигается эвтектический состав чугуна в зависимости от величины добавки ФС-45: чем больше величины добавки ферросилиция, тем при меньшей ПОН достигается эвтектический состав чугуна;

- температура начала кристаллизации эвтектоида повышается по мере увеличения ПОН расплава в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 (до 15-минутного облучения), а в чугуне с 2,0 мас.% (при облучении более 15 мин) и 3,0 мас.% ФС-45 - снижается; соответственно уменьшаются степень уплотнения -AJai и время кристаллизации эвтектоида;

- повышение ПОН расплава способствует укрупнению графитных включений до определенной продолжительности облучения расплава в зависимости от величины добавки ФС-45, а затем измельчению графитной фазы; дано научное обоснование установленным зависимостям;

- повышение ПОН до 25 минут способствует существенному росту теплопроводности: она возрастает в 1,44 — 1,47 раз в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 и в 1,57 раза в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45; по аналогичной зависимости изменяется плотность, как теплопроводность чугуна от ПОН расплава;

- максимальная коррозионостойкость чугуна наблюдается при 5 - 10-минутных облучениях расплава НЭМИ в зависимости от величины добавки ферросилиция;

- твердость и износостойкость модифицированных кремнием чугунов увеличиваются по мере повышения ПОН расплавов;

- облучение модифицированных расплавов НЭМИ также положительно влияет и на жаростойкость чугунов, особенно в высококремнистых чугунах: например, при температуре испытания 1000°С и 25-минутном облучении расплава НЭМИ она возрастает в 1,67 раза; при 700°С - 1,87 раза и 500°С - в 2,0 раза.

5. Уточнены механизм и кинетика кристаллизации эвтектики и эвтектоида под воздействием на расплавы НЭМИ методом гамма-проникающих излучений.

6. Установлено влияние лигатуры СИМИШ-1 (1,0, 2,0 и 3,0 мас.%) на кристаллизационные параметры и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства белого чугуна:

- повышение ПОН расплава до 25 минут способствует существенному росту кристаллизационных параметров tn, t"3, тл и тэ в чугуне с 1,0 и 2,0 мас.% лигатуры, в чугуне с 3,0 мас.% СИМИШ-1 температура tn снижается, a tH3 повышается по мере увеличения ПОН расплава; при этом температуры t, и tH3 сближаются, т.е. сплав становится эвтктическим;

- повышение ПОН расплава способствует росту температуры начала кристаллизации эвтектоида tHAi в чугуне с 1,0 мас.% лигатуры, а в чугунах с 2,0 и 3,0 мас.% - снижению этой температуры, что обусловлено тормозящим действием РЗМ на перлитное превращение;

- увеличение ПОН расплава приводит к снижению плотности, твердости и микротвердости структурных составляющих (П, Ц и Л) белого чугуна;

- максимальная теплопроводность модифицированных чугунов наблюдается при облучении расплава НЭМИ в течение 10 минут; она возрастает для немодифицированного чугуна в 2,26 раз, для модифицированных 1,0, 2,0 и 3,0 мас.% соответственно в 2,06; 1,66 и 1,56 раз; чем больше величины добавки лигатуры, тем меньше прирост теплопроводности вследствие насыщения расплава кремнием и загрязнением его субмикроскопическими неметаллическими включениями; несмотря на это значение теплопроводности модифицированнных чугунов доходит до уровня теплопроводности необлученного исходного чугуна;

- относительная износостойкость модифицированных лигатурой СИМИШ-1 белых чугунов изменяется от ПОН: при добавке 1,0 мас.% лигатуры относительная износостойкость снижается в соответствии с уменьшением твердости и плотности; при больших добавках лигатуры (2,0 и 3,0 мас.%) износостойкость модифицированного белого чугуна изменяется от ПОН расплава по экстремальной зависимости; максимальная износостойкость наблюдается при ПОН, равной 10 минутам (Ки = 1,5 при 2,0 мас.% и Ки = 1,75 при 3,0 мас.% лигатуры), твердость при этом практически^ не изменяется;

- коррозионностойкость модифицированых чугунов также изменяется от ПОН расплавов по экстремальной зависимости с максимумом ее значений при ПОН, равной 10 минутам: для модифицированного 1,0 мас.% лигатуры чугуна она возрастает в 2,18 раз; для модифицированных чугунов 2,0 и 3,0 мас.% лигатуры коррозионностойкость возрастает соответственно в 2,0 и 1,5 раза.

7. Аналогичные результаты получены в сером чугуне, модифицированном лигатурой ФСМг-6 в количестве 1,0, 1,5 и 2,5 мас.%:

- характер и механизм влияния ПОН расплавов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1 и ФСМг-6, на кристаллизационные параметры чугунов аналогичные; в отличие от модифицированных СИМИШ-1 чугунов, в чугунах с 1,5 и 2,5 мас.% ФСМг-6 увеличение ПОН приводит к повышению температур начала и конца эвтектоидного превращения tHAi и tKAi;

- повышение ПОН расплавов способствует снижению твердости чугунов, хотя микротвердость феррита и перлита возрастает, что можно объяснить увеличением количества ферритной составляющей в структуре облученных НЭМИ чугунов, измельчением графитных включений и исчезновением графита шаровидной формы (для чугуна с 2,5 мас.% лигатуры);

- теплопроводность модифицированных чугунов, как и исходного, изменяется по экстремальной зависимости от времени облучения их расплавов НЭМИ с максимумами ее значений при ПОН, равной 15 минутам; при этом теплопроводность возрастает в немодифицированном чугуне в 1,6 раз; в модифицированных 1,5 и 2,5 мас.% ФСМг-6 - соответственно в 1,5 и 1,4 раза; теплопроводность чугунов с 1,5 и 2,5 мас.% лигатуры имела соответственно 35 Вт/(м-К) и 22,3 Вт/(м'К), т.е. приближается к теплопроводности необлученного исходного чугуна;

- плотность и износостойкость модифицированных чугунов постоянно возрастает по мере увеличения ПОН расплавов, как микротвердость структурных составляющих (П, Ф);

- коррозионностойкость немодифицированного чугуна уменьшается от ПОН расплава до 20 минут, а коррозионностойкость модифицированного 1,5 мас.% лигатуры практически не изменяется до 10. 15-минутного облучения, а затем при 20-минутном облучении она снижается резко; в модифицированном 2,5 мас.% лигатуры чугуне коррозионностойкость увеличивается до 5-минутного облучения, а затем уменьшается до 15 мин. ' с последующим возрастанием ее до 20 минут; можно сделать вывод о том, что модифицированные чугуны обладают при облучении НЭМИ более высокой коррозионностойкостью, чем немодифицированный;

- на жаростойкость чугуна влияют ПОН расплава и количество лигатуры ФСМг-6; до температуры 500°С ПОН расплава практически не влияет на окалиностойкость не- и модифицированных чугунов; в интервале температур 550.700°С наблюдается незначительный прирост массы образца; при высокой температуре 1000°С жаростойкость модифицированных чугунов, облученных НЭМИ в жидком состоянии, значительно выше, чем немодифицированного; при этом увеличение добавки лигатуры приводит к более высокой жаростойкости чугуна:

• в немодифицированном чугуне Am/s=100 г/м2; в модифицированных 1,5 и 2,5 мас.% ФСМг-6 соответственно Am/s = 34 г/м2 и 16 г/м2; таким образом, в немодифицированном. чугуне облучение расплава НЭМИ оказывает отрицательное влияние не его жаростойкость при высоких температурах испытания (450.1000°С), а в модифицированных, наоборот, способствует существенному повышению жаростойкости.

- установлено, что облучение модифицированного ФСМг-6 (2,5 мас.%) чугуна ухудшает форму шаровидного графита из-за угара магния в процессе длительного облучения расплава НЭМИ.

8. Дополнительное модифицирование заранее облученного в жидком состоянии НЭМИ' магниевого чугуна (2,5 мас.% ФСМг-6) лигатурой АКЦе (1,25 мас.%о) привело к следующим результатам:

- при облучении расплава НЭМИ в течение 5 минут температура начала кристаллизации аустенита tj, повышается примерно на 20°С, а температуры начала tH3 (на 15°С) и конца tK3 (на 10°С) эвтектической кристаллизации увеличиваются; при этом также повышается температура начала кристаллизации tHA) эвтектоида (на 20°С); при дальнейшем облучении расплава НЭМИ все кристаллизационные параметры 1:л, tH3, tK3, tHA), tKA1 уменьшаются;

- степень уплотнения расплава от 1350°С до температуры начала кристаллизации аустенита —А1Ж и коэффициент термического сжатия аж в этом интервале температур изменяются по экстремальной зависимости от ПОН с максимумами этих параметров при 5-минутном облучении расплава НЭМИ;

- степень уплотнения гетерофазного расплава (А+Ж) и продолжительность кристаллизации избыточного аустенита монотонно возрастают от ПОН из-за расширения температурного интервала кристаллизации аустенита (1;л -1":));

- степени уплотнения при эвтектическом -AJ3 и эвтектоидном -AJa1 превращениях увеличиваются от ПОН до 20-минутного облучения расплава НЭМИ;

- аномальное уменьшение твердости и микротвердости структурных составляющих (П, Ф) также наблюдается при 5-минутном облучении расплава НЭМИ с дальнейшим повышением этих свойств до 20-минутного облучения расплава НЭМИ; при облучении расплава в течение 20 минут чугун отбеливается;

- максимальная теплопроводность чугуна также наблюдалась при 5-минутном облучении расплава и она возросла в 1,40 раз по сравнению с необлученным чугуном; следовательно, теплопроводность чугуна с шаровидным графитом выше, чем теплопроводность исходного магниевого чугуна с пластинчатым графитом без облучения; при дальнейшем облучении расплава магниевого чугуна, дополнительно модифицированного лигатурой АКЦе, происходит одновременное снижение теплопроводности и ухудшение формы графита; следовательно, общепринятое мнение о низкой теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с серым чугуном (более 2,0 раза) вызывает сомнения;

- предварительная обработка расплава НЭМИ с определенной продолжительностью и последующее модифицирование лигатурой — единственный путь повышения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; скорее всего, эффект повышения теплопроводности металлических сплавов, в том числе чугунов, под воздействием НЭМИ является следствием энергетического взаимодействия локальных короткоимпульсных

5 7 электромагнитных полей высокой напряженности (10 .10 Вт/м) с частицами расплава (кластерами), приводящего к глубокой перестройке рассматриваемых микрогетерогенных систем на атомном уровне.

1. Леках С.Н. Внепечная обработка высококачественных чугунов в машиностроении / С.Н. Леках, Н.И. Бестужев // Минск : Наука и техника, 1992. — 266 с.

2. Бунин К.П. Основы металлографии чугуна / К.П. Бунин, Я.Н. Малиночка, Ю.Н. Таран // М. : Металлургия, 1969. 416 с.

3. Таран Ю.Н. Структура эвтектических сплавов / Ю.Н. Таран, В.И. Мазур // М. : Металлургия, 1978. 312 с.

4. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны / Ю.Г. Бобро // М. : Машиностроение, 1976.-287 с.

5. Бобро Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны / Ю.Г. Бобро // М. : Машгиз, 1960.-201 с.

6. Пивоварский Е. Высококачественный чугун / Е. Пивоварский // М. : Металлургия, 1965. Т1. 650 с.

7. Пивоварский Е. Высококачественный чугун / Е. Пивоварский // М. : Металлургия, 1965. Т2. 1184 с.

8. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугунов в отливках / Н.Г. Гиршович. -М. : Машиностроение, 1986. 582 с.

9. Ри Хосен. Влияние температурных режимов плавки, модифицирующих и легирующих элементов на свойства чугунов в жидком и твердом состояниях / Хосен Ри // Владивосток; Хабаровск : Изд-во ХГТУ, 1997. -149 с.

10. Ри Хосен. Влияние компонентов на свойства жидкой фазы и структурообразование чугунов / Хосен Ри // Владивосток; Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1997. 196 с.

11. Ри Хосен. Комплексно-легированные чугуны специального назначения / Хосен Ри, Э.Х. Ри // Владивосток : Дальнаука, 2000. 286с.

12. Александров Н.Н. // Тр. ин-та / ВДИИТМАШ. М., 1960. № 5.

13. Высококачественные чугуны для отливок / Под ред. Н.Н. Александрова // М. : Машиностроение, 1982. 222 с.

14. Клочнев Н.И. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом / Н.И. Клочнев // М. : Машгиз, 1963.

15. Л.Г. Знаменский. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах / Л.Г. Знаменский, В.В. Крымский, Б.А. Кулаков // Челябинск : Изд-во ЦНТИ, 2003. 130 с.

16. Явойский В.И. Применение пульсирующего дутья при производстве стали / В.И. Явойский, А.В. Явойский, А.М Сизов // М. : Металлургия, 1985.

17. Сизов A.M. Газодинамика и теплообмен сверхзвуковых газовых струй в металлургических процессах / A.M. Сизов // М. : Металлургия, 1987.

18. Schmidt R. Secondary steelmaking technology for small heats / R. Schmidt, D. Polzin, G. Briickmann, H. Kemmer // Inst. Congr. New Dev. Met. Process. METEC 89. Proc. V. 3. Dusseldorf, 1989. - С. VII 4/1-VII 4/23.

19. Schiirmann E. Stickstoffbewegung von Roheisen des Hochofens dis zum Rohstahl des Konverters / E. Schiirmann, F. Miinscher, R. Hammer // Stahl undEisen, 1989.-B. 109.-№7.-P. 43.

20. Курганов В.А. О наследственности и способах воздействия на нее / В.А. Курганов, JI.A. Краузе, А.А. Кинаш // Генная инженерия в сплавах : тез. докл. VI Междунар. науч-практ. конф. Самара, 1998. - С. 41 - 42.

21. БаумБ.А. О взаимосвязи свойств жидких и твердых сталей / Б.А. Баум, Г.В. Тягу нов // Пробл. Стального слитка. 1976. - № 6. - С. 37.

22. Шоршоров М.Х. Теория неравновесной кристаллизации плоского слитка. / М.Х. Шоршоров, А.И. Манохин // М. : Наука, 1992. С. 6 - 22.

23. Ри Хосен. Выбор температурных режимов обработки на основе анализа структурно-чувствительных свойств расплавов / Хосен Ри, Д.Н. Худокормов, Н.И. Клочнев // Литейное производство. 1982. -№5.-С. 13.

24. Ри Хосен. Об упорядочении структуры ближнего порядка жидких чугунов при охлаждении / Хосен Ри, В.А. Тейх // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1980.-№ 11. - С. 123 - 126.

25. Муравьев В.И. Изготовление литых заготовок в авиастроении / В.И. Муравьев, В.И. Якимов, Хосен Ри // Владивосток: Дальнаука, 2003. 611 с.

26. Ри Хосен. Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от термоскоростной обработки жидкой фазы / Хосен Ри, Е.М. Баранов // Литейное производство. 1986. -№11. - С. 5 - 7.

27. Ри Хосен. Свойства алюминиевых сплавов (силуминов) в жидком и твердом состояниях / Хосен Ри, Е.М. Баранов, В.И. Шпорт // Владивосток : Дальнаука, 2002. 142 с.

28. Ульянов В.А. О вибрационном и виброимпульсном воздействиях на формирование слитка / В.А. Ульянов, В.Н. Гущин, М.А. Ларин, Н.В. Макарова // Металлы. 1991. - № 6. - С. 45 - 48.

29. Воробьева Г.А. О структурных превращениях в металлах и сплавах под действием импульсной обработки / Г.А. Воробьева, А.Н. Иводитов, A.M. Сизов//Металлы. 1991.-№6.-С. 131 - 137.

30. Теумин И.И. Введение ультразвуковых колебаний в обрабатываемые среды / И.И. Теумин // М. : Машиностроение, 1968. 35 с.

31. Попилов JI.Я. Электрическая и ультразвуковая обработка / Л.Я. Попилов // М.-Л. : Машгиз, 1960. 138 с.

32. Бронштейн М.М. Электрическая и ультразвуковая обработка материалов / М.М. Бронштейн // Куйбышев : Кн. изд., 1960. 30 с.

33. Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка / В.А. Волосатов // Л. : Лениздат, 1973.-248 с.

34. Кулемин А.В. Ультразвук и диффузия в металлах / А.В. Кулемин // М. : Металлургия, 1978. 199 с.

35. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов / А.И. Марков // М. : Машиностроение, 1980. 237 с.

36. Абрамов О.В. Ультразвуковая обработка материалов / О.В. Абрамов, И.Г. Хорбенко, Ш. Швегла // М. : Машиностроение, 1984. 280 с.

37. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле / О.В. Абрамов // М. : Металлургия, 1972. 256 с.

38. Вероман В.Ю. Ультразвуковая обработка материалов / В.Ю. Вероман, А.Б. Аренков // Библиотечка электротехнолога. Вып. 4. - М. : Машиностроение, 1971. - 168 с.

39. АгранатБ.А. Физические основы технологических процессов, протакающих в жидкой фазе с воздействием ультразвука / Б.А. Агранат // М.: Металлургия, 1969.

40. Шкляр B.C. Повышение качества литых мелющих тел электрофизическим воздействием на кристаллизацию чугуна / B.C. Шкляр, М.Б. Солодкин, Л.Г. Алексеев // Литейное производство. 1994. - № 8. С. 23 - 24.

41. Глинков Г.М.Изучение динамики перемешивания жидкой ванны на модели / Г.М. Глинков, Е.К. Шевцов // Изв.вузов. Черная металлургия, 1969.-№ 11.-С. 174-178.

42. Глинков Г.М. Изучение гидродинамики сталеплавильной ванны на модели / Г.М. Глинков, Е.К. Шевцов // Изв.вузов. Черная металлургия, 1970.-№7. -С. 159-169.

43. Горев К.В. Влияние ультразвука на структуру и механические свойства ковкого чугуна при литье в кокиль / К.В. Горев, JI.H. Белозерский // Минск : Наука и техника, 1964. С. 15-21.

44. Леви Л.И. Ультразвуковая обработка белого и ковкого чугуна / Л.И. Леви, С.К. Кантеник // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1969. - № 1. -С. 155 - 158.

45. Северденко В.П. Ультразвуковая обработка металлов / В.И. Северденко, К.В. Горев, Е.Г. Коновалов, В.И. Ефремов, Л.А. Шевчук, В.В. Клубович, В.А. Лабунов // Минск : Наука и техника, 1966.-158с.

46. Манохин А.И. Снижение зональной ликвации в слитках стали У7 и 1Х18Н9Т электроимпульсной обработкой при затпердевании / А.И. Манохин, Г.Т. Мальцев // Сталь. 1990. - № 9. - С. 65 - 67.

47. Гулый Г.А. Научные основы разрядноимпульсных технологий / Г.А. Гулый // Киев: Наукова думка, 1990.

48. Левинсон Е.М. Обработка металлов импульсами электрического тока / Е.М. Левинсон, Л.В. Саулович // M.-JL: Машгиз, 1961.

49. Вильский Г.Б. Технология и оборудование обработки металлов концентрированными потоками энергии / Г.Б. Вильский // Л : Ин-т повыш. квалиф. рук. работников и спец-тов судостр. пром-ти, 1991. — 130 с.

50. Белый И.В. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов/ И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко // Харьков: Вища школа, 1977. -168 с.

51. А.В. Крупин. Обработка металлов взрывом / А.В. Крупин // М. : Металлургия, 1991. 494 с.

52. Эпштейн Г.Н. Строение металлов, деформированных взрывом / Г.Н. Эпштейн //2-е изд., перераб. и доп. — М. : Металлургия, 1988» — 279 с.

53. Райнхард Дж. С. Взрывная обработка металлов / Дж. С. Райнхард, Дж. Пирсон // М. : Мир, 1966. 391 с.

54. Ефимов В.А. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. / В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов// М.: Металлургия, 1995. -272 с.

55. Ладьянов В.И. О влиянии магнитного поля на вязкость и структуру металлических расплавов / В.И. Ладьянов, И.А. Новохатский, И.Я. Кожухарь, А.И. Погорелов, И.И. Усатюк // Металлы. 1982. - № 4. -С. 42 - 44.

56. Романов А.А. Литье в вибрирующие формы / А.А. Романов // М.: Машгиз, 1959.-63 с.

57. Панчук А.Г. Воздействие низкочастотной вибрации на кристаллизующийся металл / А.Г. Панчук, Ю.П. Поручиков,

58. B.В. Ушенин, В.А. Денисов // Литейное производство. 1994. - № 4. —1. C. 12-14.

59. Белевитин В.А. Виброобработка для повышения работоспособности пластин ленточных конвейеров и шлаковозных чаш / В.А. Белевитин, В.М. Снегирев // Литейное производство. — 1992. № 10. - С. 17.

60. Сутырин Г.В. О влиянии вибрации низкой частоты на скорость зарождения центров кристаллизации / Г.В. Сутырин // Металлы. 1977. -№4.-С. 108-110.

61. Вачугов Г. А. Улучшение качества стали путем принудительного обновления металла на границе со шлаком / Г.А. Вачугов, В.В. Хлынов, О.М. Чехомов // Сталь. 1976. - № 8. - С. 12 - 13.

62. Ловцов Д.П. О механизме проявления наследственности в сплавах при физических методах воздействия на расплав / Д.П. Ловцов // Генная инженерия в сплавах : тез. докл. VI Междунар. науч-практ. конф. — Самара, 1998.-С. 16-18.

63. Айзатулов Р.С. Электромагнитное перемешивание жидкой стали в металлургии / Р.С. Айзатулов , А.Г. Кузьменко , В.Г. Грачев , Ф.С. Солодовник, А.Ф. Ермоленко // М. : Металлургия, 1996. С. 96 - 97.

64. Микельсон А.Э. Электротермическое возбуждение и изменение колебаний в металлах. / А.Э. Микельсон , З.Д. Черный // Рига : Знание, 1979.- 151 с.

65. Зюнненберг К. Вопросы электромагнитного перемешивания стали / К. Зюнненберг, X. Якоби // Черные металлы. 1984, № 9. - С. 3 - 9.

66. Каменская Н.П. Улучшение качества металла в результате применения электромагнитного перемешивания при непрерывной разливке стали: Обзор по системе «Информсталь» / Н.П. Каменская // Ин-т «Черметинформация». М., 1983. - Вып. 7. - 36 с.

67. Марукович Е.И. Повышение производительности процесса / Е.И. Марукович, А.В. Князев, JI.B. Чешко, А.П. Мельников // Литейное производство. 1990. - № 1. - С. 18 - 20.

68. Володин А.Ф. Продувка стали азотом в ковше / А.Ф. Володин, Н.М. Блащук В.И. Мичикин // Черная металлургия : Бюл. ин-та «Черметинформация». М., 1986. Вып. 23. - С. 45.

69. Марукович Е.И. Газоимпульсная обработка чугуна при непрерывном литье / Е.И. Марукович, А.П. Мельников // Автоматизация, роботизация и применение ЭВМ в литейном производстве (Тез. докл. Респ. науч.-техн. конф.). Минск: БелНИИНТИ, 1988. - С. 85 - 86.

70. Марукович Е.И. Интенсификация непрерывного горизонтального литья чугуна продувкой инертным газом / Е.И. Марукович, А.П. Мельников, Э.Б. Тен // Литейное производство. 1991. -№ 11.-С. 14-15.

71. Меркер Э.Э. Продувка высокомарганцовистой литейной стали азотом в ковше / Э.Э. Меркер, А.С. Тимофеева, А.Г. Свяжин, П.В. Тимофеев,

72. A.А.Мещеринов // Литейное производство. 1994. - № 6. - С. 10 - 11.

73. Курдюмов А.В. Фильтрование и флюсовая обработка алюминиевых расплавов / А.В. Курдюмов, С.В. Инкин, B.C. Чулков // М. : Металлургия, 1980.

74. Эскин Г.И. Влияние тонкой фильтрации расплава в поле акустической кавитации на структуру полуфабрикатов из сплава Д 16 / Г.И. Эскин,

75. B.Г.Кудряшов, П.Н. Швецов, З.К. Кузьминская, И.А. Скотников, А.Д. Петров // Изв. АН СССР. Металлы, №1. 1990. - С. 53.

76. Добаткин В.И. Ультразвуковая обработка расплава цветных металлов и сплавов / В.И. Добаткин, Г.И. Эскин // М. : Наука, 1986. С. 6.

77. Ивахненко И.С. Измерение плотности жидкой стали по поглощению проникающего излучения / И.С. Ивахненко // Научно-техническая информация о работах ЦНИИТМАШа. М.: ОНТ ЦНИИТМАШ, 1966. Вып. 62.-С. 79-84.

78. Явойский В.И. Измерение плотности жидких металлов с помощью гамма-излучений / В.И. Явойский // Изв. АН СССР. Металлы. 1974. - № 4.

79. Тягунов Г.В. Методика исследования плотности твердых и жидких металлов с использованием проникающих излучений / Г.В. Тягунов // Физические методы исследования твердого тела: Межвуз. сб. — Свердловск, 1977. Вып. 2. - С. 191-194.

80. Мильман Б.С. Плотность жидкого чугуна и процессы структурообразования / Б.С. Мильман, Н.И. Клочнев, И.С. Ивахненко // Литейное производство. 1969. - № 5. - С 26-28.

81. Гамма-метод в металлургическом эксперименте // Сб. научных трудов. -Новосибирск : Институт теплофизики СО АН СССР, 1981.

82. Неразрушающие испытания. Справочник / Под. ред Р. Мак-Мастера. — М. : Энергия, 1965.-504 с.

83. Новицкий Л.А. Теплофизические свойства металлов при низких температурах / Л.А. Новицкий, И.Т. Кожевников // М. : Машиностроение, 1975.

84. Магунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме / Е.С. Магунов // Л. : Энергия, 1973.

85. Белых В.В. Физико-механические свойства железоуглеродистых сплавов. Методы контроля и прогнозирования качества отливок / В.В. Белых, Хосен Ри // Владивосток : Дальнаука, 2003. 306 с.

86. Корнилов И.И. Железные сплавы. Твердые растворы железа / И.И. Корнилов // М. : Изд-во АН СССР, 1951.

87. Уэнланд У. Термические методы анализа / У. Уэнланд // М. : Мир, 1978. -526 с.

88. Кубышевский О. Окисление металлов и сплавов / О. Кубышевский, С.Б. ГокнинИМ. : Металлургия, 1965.

89. Архаров В.И. О термодинамике и кинетике с участием активированных комплексов / В.И. Архаров // Защитные покрытия на металлах. 1972. -№6.-С. 24-28.

90. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Н.П. Жук // М. : Металлургия, 1976. 472 с.

91. Розенфельд JI.И. Ускоренные методы коррозионных испытаний металлов/ И.Л. Розенфельд, К.А. Жителова // М. : Металлургия, 1966. 347 с.

92. Чекмарева Л.И. Исследование процессов коррозии металлов / Л.И: Чекмарева // Хабаровск : Изд-во ХГТУ, 1983.- 178 с.

93. Романов В.В. Методы исследования коррозии / В.В. Романов // М. : Металлургия, 1965. -280 с.

94. ГОСТ 23.209-79. Метод испытания материалов на износостойкость о нежестко закрепленные абразивные частицы. — М. : Изд-во стандартов, 1980.-6 с.

95. Структурообразование и интеллектуальные технологии синтеза наноматериалов: сборник научных трудов/ редкол.: Ю.Г. Кабалдин (отв. ред.) и др. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. -С. 89 - 94.

96. Ри Э.Х. Облучение при плавке жидкой меди и бронзы наносекундными электромагнитными импульсами / Э.Х. Ри, С.В. Дорофеев, Хосен Ри // М. : Металлургия машиностроения 2006. - № 4. - С. 13-17.

97. Ри Э.Х. Свойства алюминия и силумина после облучения наносекундными электромагнитными импульсами / Э.Х. Ри, С.В. Дорофеев, Хосен Ри // М. : Металлургия машиностроения. 2006. — №4.-С. 18-20.

98. Ri Е.Н. Research of influence of an Irradiation of a liquid phase by nanosecond electromagnetic impulses (NEMI) on properties of metals and alloys / Ri E.H., Ri Hosen, Dorofeev S.V., Kuharenko E.B. // JCRSAMPT 2006. Joint China

99. Russia symposium on advanced-materials processing technology. August 21— 22, Harbin, P.R. China, 2006.

100. Патент № 2287605. Способ обработки расплава меди, ее сплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их теплопроводности / Ри Э.Х., Ри Хосен, Белых В.В. Заявл. 21.03.05.

101. Справочник по чугунному литью. Изд-е 3-е, перераб. и доп. / Под редакцией Н.Г. Гиршовича // Л. : Машиностроение, 1978. 758 с.