Получение чугуна с шаровидным графитом с повышенной прочностью в результате модифицирования расплава магнием и нанопорошком нитрида бора и фильтрации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хакасский технический институт Сибирского федерального университета, г. Абакан, Республика Хакасия

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия

Получение чугуна с шаровидным графитом с повышенной прочностью в результате модифицирования расплава магнием и нанопорошком нитрида бора и фильтрации

Г.Г. Крушенко, М.А. Воеводина

Аннотация

Разработана технология получения чугуна с шаровидным графитом с повышенной прочностью в результате модифицирования расплава магнием и нанопорошком нитрида бора и фильтрации

Ключевые слова: чугун с шаровидным графитом, прочность, модифицирование, магний, нанопорошок нитрида бора, фильтрация

Annotation

The technology of manufacturing the spheroidal graphite cast iron of the increased strength as a result of inoculation the melt by the magnesium and by the nanopowder of boron nitride with the filtering is developed

Key words: spheroidal graphite cast iron, strength, inoculation, magnesium, nanopowder of boron nitride, filtering

В современном машиностроении одним из перспективных конструкционных материалов является чугун, который представляет собой сплав железа с углеродом (3,2-3,5% С). При этом без специальной обработки расплава графитовые выделения в чугуне при кристаллизации формируются в пластинчатый форме (Рис. 1а), что снижает механические свойства отливок. В отношении уровня механических свойств оптимальной является чугун с шаровидной формой графита (ЧШГ), отливки из которого характеризуются благоприятным сочетанием физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик. Шаровидная форма графита (Рис. 1б) в отливках из ЧШГ формируется в результате введения в жидкий металл магния, РЗМ, кальция и некоторых других компонентов. Однако при этом ЧШГ неизбежно загрязняется оксидными и сульфидными включениями.

Рис.1. Структура чугуна: а) с пластинчатым графитом а₁) прямолинейной формы а₂) завихренной формы; б) с шаровидной формой графита (ЧШГ). Х 100 [ГОСТ 3443-87 Отливки из чугуна с различной формой графита.]

Кроме того, известный специалист по чугуну Н.Г. Гиршович считает [1], что чугун в жидком состоянии можно отнести к особому сложному виду дисперсных систем, в которых одновременно в неравновесном состоянии сосуществуют макроскопические, микроскопические (10^-3…10^-5 см) ультрамикрокопические (10^-6…10^-9 и даже 10^-13 см) частицы, в том числе и неметаллические включения, и, которые, по современной терминологии, можно отнести к наночастицам (10^-9 м).

Согласно основополагающей работе А. Эйнштейна [2] частицы такой размерности обладают исключительно высокой седиментационной устойчивостью из-за своих малых размеров (до 100 нм) и высокой удельной поверхности, и находятся в металлической жидкости во взвешенном состоянии, участвуя в броуновском движении [3]. В указанных работах показано, что для частиц размером даже до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести.

Присутствие таких включений в металлических расплавах является одной из причин возникновения дефектов в литых изделиях [4].

С целью очистки чугунов от вредных примесей в настоящее время в производстве широко применяется фильтрование расплавов через материалы разного состава [5-7]. чугун шаровидный графит рафинирующий

В настоящей работе исследовали возможность повышения рафинирующей способности зернистых магнезитовых фильтров.

Чугун выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 путем переплава отходов чугуна ваграночной плавки (3,0-3,2% С; 3,2-3,4% Si; 0,6-0,8% Mn; 0,03-0,07% Mg; 0,03-0,04% S; ост. - Fe). Модифицирование производили «сэндвич-процессом» с применением 1-2 масс. % никель-магниевой лигатуры (15 масс. % Mg,; ост. - Ni), которую смешивали с 2-3 масс. % ферросилиция марки ФС75, и дробили эту смесь на фракции 5-10 мм. Смесь засыпали на дно ковша и догружали стальной стружкой для замедления процесса взаимодействия расплава с модификатором и снижения потерь магния. Чугун выпускали из печи при 1400⁰С, в ковше расплав выдерживали 2-3 мин.

Фильтрование ЧШГ производили с применением магнезита MgCO₃ с размерами зерен 10-15 мм, которые получали из порошкообразного магнезита фракции 1-3 мм путем окатывания в барабанном грануляторе. Магнезит представляет собой минерал из класса карбонатов, группы кальцита, состав MgCO₃; содержит MgO 47,82%, CO₂ 52,18%. Исходным материалом для получения зернистого фильтра служил порошок магнезитовый ППЭ-88 (ГОСТ 24862-81).

Реальный канал в пенокерамическом или зернистом фильтре можно привести к эквивалентному цилиндрическому. В частности, для зернистого фильтра эквивалентный диаметр канала фильтра d_э равен [8]:

где d_з - диаметр зерна фильтра, м; е_эф - эффективная порозность фильтра,.м³/м³; (порозность - англ. porosity - отношение объема пор слоя кускового или зернистого материала к общему объему слоя) В числителе объем, занимаемый зернами, в знаменателе - объем всего фильтра.

Эффективная порозность фильтра меньше фактической ввиду несмачивания расплавом материала фильтра и неполного заполнения его поровых каналов. Прямыми экспериментами установлено, что эффективная порозность зернистых фильтров составляет е_эф = 0,35-0,40, тогда как фактически она достигает е_эф = 0,45-0,50 [8]. Согласно этой формуле диаметр эквивалентного цилиндрического канала фильтра составляет 6-8 мм. Но, учитывая тот факт, что магнезитовые зерна, даже и плакированные, имеют ноздреватую (раковистую [9]) поверхность (Рис. 2.), между магнезитовыми зернами должны существовать каналы капилляры (причем, извилистого характера), площади сечения которых соответствуют наноуровню (до 100 нанометров).

Рис. 2. Поверхность зерен магнезита

Магнезитовые зерна помещали в шамотный стакан между двумя огнеупорными сетками. Собранные фильтры прогревали перед заливкой до 400-500⁰С.

Модифицированный чугун разливали в песчаные формы через воронки без фильтра и с фильтром. При этом сравнивали временное сопротивление отливок, полученные при фильтровании расплава через фильтр со свободной засыпкой зерен магнезита (высота слоя 75 мм), а также через фильтр, к зернам которого было приложено давление (высота слоя 65 мм) с целью уменьшения площади каналов-капилляров между ними.

Из фильтрованного и нефильтрованного чугунов для сравнительных исследований отливали ступенчатые пробы с толщиной ступеней 15, 30 и 60 мм. В ступенчатых пробах моделировали поведение неметаллических частиц при получении отливок из ЧШГ с развитыми плоскими поверхностями. Эффективность фильтрования чугуна оценивали качественно по серным отпечаткам темплетов отливок и количественно по изменению относительной площади «черных пятен» и точечных включений.

Серосодержащие включения на серных отпечатках темплетов отливок классифицировали на пятнистые (размер 0,1 мм) и точечные (размер 0,1 мм) Относительную площадь, занятую «пятнами», определяли планиметрическим методом Деллеса [10] на всей поверхности серного отпечатка темплета как F_п/F_o, а относительную площадь точечных включений F_т/F_o путем просмотра шлифов под оптическим микроскопом, где F_п - площадь, занятая пятнистыми включениями, мм², F_т - площадь, занятая точечными включениями, мм², F_o - общая площадь поверхности темплета, мм².

Образующиеся при модифицировании неметаллические включения в ЧШГ представляют собой, в основном, продукты взаимодействия магния с кислородом (с образованием оксида магния MgO) и серой (с образованием сульфида магния MgS), температура плавления которых составляет соответственно 2825⁰C и 2000⁰С, что намного выше температуры модифицирования расплава ( 1400⁰С). Поэтому при фильтровании чугуна неметаллические частицы контактируют с твердой поверхностью фильтра в отдельных точках (рис. 3, а). В этом случае частицы удерживаются на поверхности фильтра слабой адгезионной силой и могут смываться потоком расплава (особенно крупные включения), в связи с этим эффективность очистки расплава от крупных неметаллических частиц при прохождении его через фильтр из тугоплавкого материала относительно низка, тогда как для удержания частиц с размерами нанодиапазона (микроскопические (10^-3…10^-5 см) ультрамикрокопические (10^-6…10^-13 см) [1], этих сил оказывается достаточно с учетом особенностей структуры образований наноуровня.

Что касается частиц наноуровня, то в таких системах ярко проявляются особенности поверхностных состояний, так как число поверхностных атомов соизмеримо с числом объемных [11]. Например, доля избыточной (поверхностной) энергии относительно объемной в каплях алюминия при 1000 К возрастает от 9% для капель с размером 10 нм до 45% при размере 2 нм и даже до 90% при размере 1 нм.

Наночастицы обладают существенно искаженной кристаллической решеткой, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их привычный ход и последовательность. Характерной особенностью ультрадисперсных сред является их чрезвычайно высокая реакционная способность.

Результаты испытаний показали, что при фильтровании чугуна через фильтр, магнезитовые зерна в котором были уплотнены, временное сопротивление разрушению, у_в оказалось на 5,88% больше (Табл. 1), чем при фильтровании расплава через свободно засыпанные зерна, что, очевидно связано с уменьшением площади каналов-капилляров между ними до наноуровня. При этом было установлено замедление скорости заполнения формы и незаливы ее полости, что подтверждает сужение каналов-капилляров между зернами фильтра. С целью усиления заполнения пришлось температуру заливки чугуна увеличить на 10…12⁰С.

Таблица 1. Влияние вида фильтра на содержание серы и временное сопротивление разрушению отливок из ЧШГ

Исходя из опыта применения нанопорошков химических соединений в качестве модификаторов для повышения физико-механических характеристик алюминиевых сплавов, сталей и чугунов [12, 13] исследуемый чугун дополнительно модифицировали нанопорошком нитрида бора BN, который вводили в расплав (до 0,05 масс. %) в объеме алюминиевого прутка,

Наиболее высокое у_в было получено при совмещении модифицирования чугуна магнием и нанопорошком нитрида бора BN (порядка 0,05 масс. %) с фильтрацией - 480 МПа, что на 67,83% превышает у_в исходного чугуна и на 6,66 % у_в ЧШГ, полученного при модифицировании расплава магнием с последующей фильтрацией.

Список литературы

1. Справочник по чугунному литью. Под ред. Н.Г. Гиршовича - 3-е изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1978.- 758 с.

2. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Fluessigkeiten suspendierten Teilchen // Annalen der Physik Mai 1905 (ser. 4).- B.-17.- S. 549-560.

3. Эйнштейн А., Смолуховский М. Броуновское движение // М.-Л.: ОНТИ, 1936.- 197 с.

4. Книпп Э. Пороки отливок. Причины образования пороков и меры их устранения. Перевод с немецкого. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1958.- 276 с.

5. Чайкин А.А., Ткаченко В.М, Бондарев М.М. Рафинирование модифицированного в форме ЧШГ с помощью фильтрованной сетки из стекловолокна // Литейное производство - 1988 - № 4. - С. 4-5.

6. Hack J.A., Clark H. and Child C. The filtration of steel castings // The Foundryman, 1990.- № 4.- Р. 183-188.

7. Hawranek R., Lelito J., Suchy J.S, Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter // Archives of metallurgy and materials. - 2009 - V. 54.- Issue 2 - P.- 351-358.].

8. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящем слоем. -Л.: -Химия, - 1968 - 510 с.

9.. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия.- 3-е изд., перераб. и доп.- Л.: Стройиздат, 1972.- 504 с.

10. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография.- М.: Металлургия, 1976 - 272 с.

11. Тананаев И.В., Федоров В.Б., Малюкова Л.В., Коробов Ю.А., Капитанов Е.В. Характерные особенности ультрадисперсных сред// ДАН СССР.- 1985.- Т. 283.- №. 6.- С. 1364-1367.

12. Крушенко ]Г.Г. «Порошковые» технологии в металлургическом машиностроении // Тяжелое машиностроение, 2010.- № 3.- С. 27-30

13. Патент РФ № 2080961. Способ получения износостойких отливок из чугуна/ Г.Г. Крушенко, В.Ф. Пинкин, Б.И. Трошкин, С.А. Осиненко // БИ.- 1997.- № 16.

Размещено на Allbest.ru