Вплив пізнього модифікування та швидкості охолодження на структуру виливків з високоміцного чавуну

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Автореферат

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вплив пізнього модифікування та швидкості охолодження на структуру виливків з високоміцного чавуну

Берчук Дмитро Миколайович

Спеціальність 05.16.04 - ливарне виробництво

Київ 2010

Вступ

Актуальність проблеми. Високоміцний чавун, завдяки оптимальному співвідношенню ливарних, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей, а також економічності його виробництва, широко використовується в конструкціях сучасних машин і обладнання. Цей унікальний литий матеріал відкриває більші, в порівнянні зі сталлю, можливості для створення прогресивних конструкцій, зменшення їх маси, покращення оброблення різанням, підвищення коефіцієнта використання металу і зниження собівартості.

В найбільшій мірі можливості використання чавуну як конструкційного матеріалу реалізуються в тонкостінних виливках. Однак, одержання тонкостінних виливків з високоміцного чавуну технологічно ускладнено, внаслідок введення магнію в рідкий чавун при інтенсивному тепловідведенні в процесі кристалізації поряд з кулястим графітом може утворюватись цементит. Для усунення евтектичного цементиту виливки піддають енергоємному високотемпературному графітизуючому відпалу.

Проблема покращення структуроутворення тонкостінних виливків з високоміцного чавуну може бути вирішена підвищенням ефективності модифікування. Розвиток наукових і технологічних основ одержання з високоміцного чавуну тонкостінних виливків без структурно-вільного цементиту з підвищеним рівнем механічних властивостей та створення матеріало- і енергозберігаючих процесів їх виробництва є актуальною проблемою. Розробка нових прогресивних технологій одержання з високоміцного чавуну виливків з товщиною стінок 2 - 3 мм забезпечить зниження маси і підвищення техніко-економічних показників сучасних машин і обладнання.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України (ФТІМС НАНУ) в рамках НДР по темах 1.6.5.464: "Підвищення ефективності модифікуючого впливу на структуроутворення, механічні та службові властивості високоміцних чавунів" (№ держ. реєстр. 0100U003557); 1.6.5.522: "Дослідження особливостей гідродинаміки і тепломасообміну процесів модифікування в проточних реакторах та розробка на їх основі ресурсозаощадних технологій одержання високоміцних чавунів" (№ держ. реєстр. 0104U0003441); III-27-07.557 "Розробка високоефективних методів управління кристалізацією і структуроутворенням чавунів з кулястим графітом і створення на їх основі енергозберігаючих технологій одержання литих виробів з підвищеними властивостями" (№ держ. реєстр. 0107U000143).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - розробка методів пізнього модифікуючого та термокінетичного впливу на кристалізацію для одержання у високоміцному чавуні структури, яка забезпечує підвищення властивостей литих виробів та ресурсозбереження при їх виробництві. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наукові задачі:

- виконати термодинамічні розрахунки реакцій взаємодії модифікуючих елементів з компонентами чавуну;

- дослідити вплив пізнього графітизуючого модифікування сплавами з хімічно активними до сірки та кисню елементами і швидкості охолодження на формування структури виливків з високоміцного чавуну;

- дослідити вплив модифікування у формі магнієвими лігатурами та швидкості охолодження на структуроутворення виливків з високоміцного чавуну;

- визначити параметри процесів пізнього модифікування, які ефективно підвищують ступінь подрібнення структури виливків з високоміцного чавуну;

- дослідити кінетичні особливості розчинення магнієвих лігатур у рідкому чавуні при модифікуванні у ливарній формі;

- дослідити вплив параметрів внутрішньоформового модифікування магнієвими лігатурами на структуру та механічні властивості високоміцного чавуну;

- розробити високоефективні методи підвищення модифікуючого та термокінетичного впливу на процеси кристалізації та структуроутворення для одержання заданих високих технологічних і механічних властивостей литих виробів з високоміцного чавуну без застосування термічного оброблення.

Об'єкт дослідження - процес одержання виливків з високоміцного чавуну.

Предмет дослідження - формування структури виливків з високоміцного чавуну при пізньому модифікуванні та зміні швидкості охолодження.

Методи дослідження. Мета та задачі, що поставлені в роботі, зумовили необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень з застосуванням ряду методів і сучасної апаратури, які включали: термодинамічні розрахунки хімічних реакцій, експериментальні методи введення в розплав графітизуючих та сфероїдизуючих модифікаторів, визначення кінетичних режимів переходу хімічних елементів з модифікаторів в чавун, спектральний і хімічний аналізи, кількісний металографічний аналіз, електронну мікроскопію, механічні випробування.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше системно досліджено закономірності впливу комплексних модифікаторів з хімічно активними елементами (Ba, Ca, Mg, Sr, Zr, РЗМ) та швидкостей охолодження до 10,5 оС/с на формування фазового складу і структури при графітизуючому внутрішньоформовому модифікуванні. Серед досліджених найбільш ефективними графітизуючими модифікаторами виявились: FeSiBa, FeSiCa та FeSiMgCa, які запобігають утворенню цементиту в структурі чавуну.

2. Встановлено, що в інтервалі швидкостей охолодження виливків 0,87-4,3 oC/c при графітизуючому внутрішньоформовому модифікуванні інокулююча дія модифікаторів зростає в 2,0-2,8 рази у порівнянні з графітизуючим модифікуванням у ковші. Висока ефективність внутрішньоформового модифікування відкриває можливість додатково збільшити ступінь інокуляції в 2 рази за рахунок підвищення швидкості охолодження до10,5 oC/c.

3. Запропоновано концепцію використання магній-кальцієвих модифікаторів для графітизуючого модифікування у ливарній формі високоміцного чавуну. За характером і ступенем впливу на формування первинної структури тонкостінних виливків лігатури FeSiMg2,5Ca2,5 і швидкорозчинний композитний комплексний модифікатор FeSiMg7Ca7 є аналогами FeSiBa, але значно перевищують його за екологічними показниками.

4. Вперше науково обгрунтовано і експериментально визначено умови одержання з високоміцного чавуну без вибілу виливків із товщиною стінки до 2,5 мм з дрібнокристалічною структурою, що забезпечує підвищення механічних властивостей.

5. Встановлено кінетичні закономірності розчинення магнієвих лігатур FeSiMg7, FeSiMg7Ca7, NiMg15 в проточних реакторах та визначено оптимальні технологічні параметри модифікування у ливарній формі даними лігатурами. Отримано математичні моделі, що адекватно описують вплив швидкості охолодження на структуру та механічні властивості виливків з високоміцного чавуну при модифікуванні як в ковші, так і у ливарній формі.

Практичне значення одержаних результатів. Отримано нові експериментальні дані про вплив хімічного складу модифікаторів, параметрів процесу внутрішньоформового модифікування, змін в хімічному складі чавуну після модифікування і швидкості охолодження на структуру та механічні властивості високоміцного чавуну, що дозволило визначити оптимальні варіанти і параметри для розробки екологічних ресурсозберігаючих технологій виробництва виливків з підвищеними властивостями.

На підставі результатів досліджень для Київського станкобудівного концерну "Веркон" розроблено ресурсозберігаючу технологію одержання виливків з високоміцного чавуну внутрішньоформовим модифікуванням. На відміну від раніше використовуваної технології одержання високоміцного чавуну модифікуванням металевим магнієм в автоклаві, за якої всі виливки піддавались високотемпературному відпалу при 950 оС загальною тривалістю 11 годин з метою графітизації евтектичного цементиту, що утворюється в процесі кристалізації, при модифікуванні у ливарній формі структурно-вільний цементит у виливках не утворюється і енергоємний відпал не потрібен.

Для Сумського ВАТ "Центролит" розроблені технологічні параметри одержання високопластичного високоміцного чавуну марки ВЧ 400-15 і впроваджена у виробництво технологія виготовлення з нього виливків на автоматичній ливарній лінії "Дизаматик". Модифікування розплаву чавуну здійснюється в ливарних формах з вертикальним розґємом. Застосування внутрішньоформового модифікування попереджує утворення евтектичного цементиту, сприяє підвищенню кількості фериту в металевій основі чавуну, і, в порівнянні з ковшовим модифікуванням, забезпечує зниження витрат модифікаторів в 1,5-2,2 рази. Використання двокомпонентного внутрішньоформового модифікування магнієвою лігатурою КМг-7 і силікобарієм забезпечує одержання механічних властивостей чавуну (ув ? 400 МПа; д ? 15 %) в литому стані без проведення термічного оброблення (графітизуючого відпалу).

Особистий вклад здобувача. Проаналізовані сучасні процеси одержання високоміцного чавуну, виявлені їх недоліки, визначені мета та задачі досліджень. Проведен термодинамічний аналіз рафінуючої дії модифікуючих елементів в розплаві чавуну, визначена доля протікання реакцій рафінування з урахуванням складу чавуну та модифікаторів [5]. Вивчено вплив складу модифікаторів, параметрів процесів внутрішньоформового модифікування і швидкості охолодження на структуру виливків з високоміцного чавуну, які забезпечують протікання кристалізації без утворення цементитної фази і призводять до формування у виливках дрібнокристалічної структури [1,6,8]. Визначені кінетичні режими переходу хімічних елементів з модифікаторів в чавун протягом часу внутрішньоформового модифікування [2,3,4,9]. Отримані експериментальні дані щодо ефективності двостадійного модифікування: сфероїдизуючого у ковші і графітизуючого в ливарній формі, проведені аналіз та систематизація експериментальних даних. [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: I науково-практичній конференції молодих вчених присвяченій 100-річчю з дня народження Брауна М.П. (Київ, 2003 р.); міжнародному науково-технічному конгресі "Ливарне виробництво на межі століть" (Київ, 2004 р.); міжнародному науково-технічному конгресі "Ливарне виробництво - високоякісні виливки на основі ефективних технологій" (Київ, 2005 р.); II міжнародній науково-практичній конференції "Ливарне виробництво 2006" (Запоріжжя, 2006 р.); міжнародному науково-технічному конгресі "Процеси плавки, обробки та розливання металів: виливки, зливки, заготовки" (Київ, 2006 р.); III міжнародній науково-практичній виставці-конференції "Ливарне виробництво 2007" (Запоріжжя, 2007 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Перспективні технології, матеріали та обладнання в ливарному виробництві" (Краматорськ, 2008 р.); IV міжнародній науково-практичній виставці-конференції "Ливарне виробництво 2008" (Запоріжжя, 2008 р.); міжнародній науково-практичній конференції "50 років в Академії наук України: ІЛП, ІПЛ, ФТІМС - минуле, сучасне, майбутнє" (Київ, 2008 р.); V міжнародній науково-практичній виставці-конференції "Ливарне виробництво 2009" (Запоріжжя, 2009 р.); II міжнародній науково-практичній конференції "Перспективні технології, матеріали та обладнання в ливарному виробництві" (Краматорськ, 2009 р.).

Публікації. Результати дисертації викладені в 20 публікаціях, серед яких 9 статей в періодичних виданнях, рекомендованих ВАК України, та 11 тез доповідей. Отримано 3 патенти на корисну модель.

Структура та об'єм роботи: Дисертація складається з вступу, 5 розділів основної частини, висновків, списку використаної літератури з 81 найменування і 2 додатків. Вона викладена на 141 сторінці, містить 40 малюнків, 13 таблиць.

1. Основний зміст роботи

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, відповідність державній тематиці, сформульовані мета та задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі наведений аналітичний огляд наукових праць, які стосуються теорії і технології одержання високоміцного чавуну. Визначено, що в найбільшій мірі можливості високоміцного чавуну як конструкційного матеріалу реалізуються в тонкостінних виливках. Однак, одержання тонкостінних виливків з високоміцного чавуну при сфероїдизуючому модифікуванні магнієвими лігатурами технологічно ускладнено. Внаслідок введення магнію в рідкий чавун, в умовах інтенсивного тепловідведення, в процесі кристалізації утворюється структурно-вільний цементит. Для його усунення виливки піддають тривалому енергоємному високотемпературному графітизуючому відпалу.

Дослідження останніх років засвідчують, що, у порівнянні з ковшовими методами, внутрішньоформове модифікування в більшій мірі стимулює зародження центрів евтектичної кристалізації, інтенсифікує графітизацію і створює умови для одержання без вибілу тонкостінних виливків з високоміцного чавуну.

Підвищення ефективності модифікування відкриває можливість в більшій мірі використовувати вплив термокінетичного фактора (швидкості охолодження) для регулювання структури і підвищення властивостей виливків з високоміцного чавуну.

На підставі проведеного аналізу сформульована мета та визначені задачі досліджень.

У другому розділі наведені методики досліджень, обробки експериментальних даних, оснащення та вибрані для досліджень матеріали.

Дослідження проводили на чавуні, хімічний склад якого коливався в наступних межах (у % за масою): 3,2-3,8 С; 2,3-3,0 Si; 0,19-0,38 Mn; 0,05-1,30 Ni; 0,10-0,14 Cr; 0,011-0,031 S; 0,07-0,09 P. Плавки проводили в індукційних електропечах з кислою футеровкою ємністю 12 і 160 кг. В шихті використовувались переробні чушкові чавуни ПЛ1, ПЛ2, відходи електротехнічної сталі Э13, зворот високоміцного чавуну.

Відливали ступінчасті та клиноподібні проби. Ступінчасті проби відливали в формах, виготовлених СО2 - процесом. Стандартні клиноподібні проби товщиною біля основи 5; 10; 15; 20; 25 мм відливали у вологих піщано-глиняних формах. Для фільтрування модифікованого в ливарній формі розплаву чавуну використовували сітку з кремнеземної склотканини марки КС-11ЛА.

В дослідженнях застосовували:

1) двостадійне модифікування: сфероїдизуюче в ковші комплексним модифікатором ЖКМК-4Р і графітизуюче в ливарній формі;

2) внутрішньоформове модифікування магнієвими лігатурами.

Для дослідження впливу на структуру високоміцного чавуну модифікаторів в умовах графітизуючого внутрішньоформового модифікування відливали ступінчасті проби з розміром ступені 50Ч50 мм і товщиною 2,5; 5; 10; 15 и 30 мм. Зернистий модифікатор знаходився в реакторі, що був розміщений під стояком. Металографічний аналіз проводили в поперечному перерізі ступені від її центру до бокової зовнішньої поверхні.

В дослідженнях процесів внутрішньоформового модифікування чавуну магнієвими лігатурами, застосовували ливниково-модифікуючу систему, що складається зі стояка, проточного реактора діаметром 100 мм, шлакоуловлювача і зливного каналу. Для проведення порційного розподілу, модифікованого в проточному реакторі розплаву, форму з ливниково-модифікуючою системою встановлювали на портал. Це забезпечує розливання, витікаючого через зливний канал, розплаву в другу нижче розташовану на візку форму з послідовно розташованими дискретними ємностями для відливки стандартних клиноподібних проб з товщиною біля основи 15 мм, масою ~ 3 кг. Розподіл модифікованого розплаву на дискретні порції дозволив отримати інформацію про кінетику переходу хімічних елементів з лігатур у чавун.

Хімічний склад досліджених модифікаторів наведений в таблиці.

Середня швидкість охолодження в інтервалі часу від початку кристалізації до кінця евтектоїдного перетворення склала для перерізів ступінчатої проби товщиною 2,5; 5; 10; 15 мм, відповідно, 10,5; 4,3; 1,6; 0,87 оС/с, а для клиноподібних проб товщиною 5; 10; 15; 20; 25 мм, відповідно 1,25; 0,6; 0,32; 0,23; 0,17 оС/с.

Хімічний склад досліджених модифікаторів

В третьому розділі надані результати досліджень впливу модифікаторів при внутрішньоформовому модифікуванні і швидкості охолодження виливків на структуру високоміцного чавуну.

Визначені вільні енергії Гиббса () і доля протікання реакцій (Сi) рафінування розплаву чавуну активними модифікуючими елементами при температурах 1573, 1673 та 1773 К. Порівнюючи абсолютні величини вільної енергії Гиббса , можна припустити, що в першу чергу при введенні металів-модифікаторів в чавун відбувається видалення кисню, потім сірки, азоту та водню. Найбільш активними з термодинамічної точки зору є кальцій та цирконій, у яких вірогідність протікання реакцій з сіркою і киснем більш ніж 80 %. Для всіх досліджених реакцій розкислення чавуну металами-модифікаторами збільшення температури призводить до зниження вірогідності протікання реакцій. В реакціях рафінування активні елементи розміщуються за ступенем зменшення взаємодії наступним чином: розкислення - Zr, Ca, Ba, Sr, Mg, Ce; десульфурація - Ca, Zr, Ba, Ce, Mg, Sr; деазотація - Zr, Ca, Sr, Ce, Mg, Ba; дегідратизація - Zr, Ca, Ba, Mg. Але, використаний в дослідах феросилікоцирконій, що містить ~40 % Zr, проявив себе як модифікатор незадовільно, в тому числі внаслідок високої температури плавлення (більш ніж 1500 оС) силіцидів цирконію, що знаходились в його складі. Слід зауважити, що термодинамічні розрахунки показують тенденцію розвитку досліджених процесів, відображаючи їх якісний характер. Результати, одержанні в реальних умовах багатокомпонентних систем, часто відрізняються від одержаних термодинамічним методом.

Умови для визначення ефективності графітизуючого внутрішньоформового модифікування FeSi, FeSiCa, FeSiBa, FeSiSr, FeSiZr, FeSiРЗМ, FeSiMgCa та композитним комплексним магній-кальцієвим модифікатором (ККМ) були достатньо жорсткими. В структурі базового високоміцного чавуну після модифікування в ковші лігатурою ЖКМК-4Р кількість цементиту при швидкостях охолодження 10,5; 4,3; 1,6; 0,87 оС/с, що відповідає товщинам перерізу ступінчастої проби 2,5; 5; 10; 15 мм, складала: 40, 35, 15 і 13% відповідно (рис.1.).

В структурі ступені товщиною 2,5 мм, що охолоджується зі швидкістю 10,5 оС/с, утворюється як первинний голчастий, так і евтектичний цементит (ледебурит), а в структурі ступеней, що охолоджуються з меншою швидкістю, тільки евтектичний цементит (рис.2.).

Результати внутрішньоформового модифікування засвідчують незадовільну графітизуючу здатність сплаву FeSiРЗМ (див. рис.1). FeSiZr при внутрішньоформовому модифікуванні розчиняється не повністю, що можна пояснити високою температурою плавлення силікоцирконієвих сполучень (>1500 оС). Не дивлячись на це, кількість цементиту в структурі ступені товщиною 2,5 мм, що охолоджується зі швидкістю 10,5 оС/с зменшується в значно більшій мірі, ніж при модифікуванні FeSiРЗМ. Після модифікування FeSiZr кількість включень цементиту у всіх досліджених ступенях в зоні бокової поверхні на відстані до 5-7 мм від неї складала 5-8 %.

Внутрішньоформове модифікування феросиліцієм (FeSi) запобігає утворенню цементиту у всьому діапазоні швидкостей охолодження, але спостерігається низький (на рівні базового високоміцного чавуну) ступінь сфероїдизації графіту (рис.3, 4). Діапазон розмірів включень графіту визначається, головним чином, впливом швидкості охолодження і при модифікуванні FeSi максимальний розмір включень графіту в перерізах, що охолоджуються зі швидкістю 10,5; 4,3 - 0,87 оС/с складає відповідно 9-12; 14 - 27 мкм.

Як видно з експериментальних даних утворенню великої кількості ефективних центрів кристалізації кулястого графіту сприяє внутрішньоформове модифікування FeSiСa і FeSiBa. Особливо контрастно це проявляється в умовах високої швидкості охолодження 10,5 оС/с, що характерно для ступені товщиною 2,5 мм. При модифікуванні FeSiСa та FeSiBa діаметр включень графіту мінімальний і складає 5 - 9 мкм в структурі перерізу товщиною 2,5 мм.

З аналізованих варіантів графітизуючого модифікування сплавами з лужно-земельними металами менше всього включень графіту утворюється при модифікуванні FeSiSr. Модифікування FeSiSr в порівнянні з іншими модифікаторами сприяє утворенню великих за розміром графітових включень, які досягають 18 мкм в перерізі ступені, що охолоджується зі швидкістю 10,5 оС/с. У перерізі ступеней, що охолоджуються із швидкістю 4,3-0,87 оС/с, максимальний розмір включень графіту складає 21 - 40 мкм.

Найбільш висока твердість у|біля| модифікованого FeSiSr| високоміцного чавуну. FeSiSr серед модифікаторів з лужноземельними металами характеризується найменшою графітизуючою спроможністю. Низький рівень графітизуючої спроможності|здібності| FeSiSr| дозволяє виключити його разом з|поряд із| FeSiРЗМ| і FeSiZr| з числа модифікаторів для внутрішньоформового графітизуючого модифікування при виробництві з|із| високоміцного чавуну тонкостінних виливків.

Результати дослідження впливу внутрішньоформового графітизуючого модифікування магній-кальцієвими| модифікаторами на структуроутворення високоміцного чавуну наведено|уявляти| на рис. 5. При модифікуванні ФСМг-2 (FeSiMg2,5Ca2,5) ступінь сфероїдизації включень графіту в перерізі ступені, що охолоджується зі швидкістю 10,5 оС/с, складає 95 %, а в інших ступенях, що охолоджуються зі швидкістю 4,3-0,87 оС/с, знижується до 90 %. Розмір включень графіту в перерізах, що охолоджуються зі швидкістю 10,5; 4,3-0,87 оС/с складає відповідно 9-12; 14-27 мкм.

У варіанті модифікування композитним комплексним модифікатором ККМ, що містить 7 % Mg і 7 % Са, в структурі ступінчастої проби цементит відсутній і спостерігається найбільш високий ступінь сфероїдизації графіту, який складає 95-97 %, а розмір включень графіту в перерізах, що охолоджуються зі швидкістю 10,5; 4,3-0,87 оС/с складає, відповідно, до 9; 9-20 мкм. Серед досліджених модифікаторів найбільший рівень інокуляції, визначений щільністю включень кулястого графіту на 1 мм2 площі шліфа, забезпечує модифікування ККМ. Таким чином, модифікування магній-кальцієвим композитним комплексним модифікатором забезпечує утворення в структурі високоміцного чавуну такої ж великої кількості включень кулястого графіту, як і модифікування FeSiCa і FeSiВa. При модифікуванні ККМ зі зменшенням швидкості охолодження кількість фериту в металевій основі закономірно підвищується з 70 до 95 %.

Досягнутий в дослідженнях високий ступінь графітизації структури пояснюється|тлумачить| з одного боку ефектом пізнього наближеного до кристалізації модифікування, а з іншого боку наявністю у складі досліджених модифікаторів хімічно активних лужноземельних елементів другої групи періодичної системи Менделеєва - Ca|, Ba|, Mg|, які малорозчинні| в залізі. Вказані елементи утворюють стійкі хімічні сполуки з|із| такими шкідливими домішками|нечистотами| високоміцного чавуну як сірка, кисень, азот, водень, та очищують|звільняти| від них міжфазні границі|межі|. Деякі з хімічних сполук, що утворюються, включаючи оксиди і силікати Ca|, Ba|, Mg|, сприяють утворенню додаткових ефективних центрів кристалізації кулястого графіту.

Порівняльні дані інокулюючої здатності модифікаторів при ковшовому і внутрішньоформовому модифікуванні наведено на рис. 6. При швидкості охолодження 4,3 оС/с, що відповідає товщині перерізу виливка 5 мм, в умовах ковшового модифікування FeSiВа збільшує кількість включень кулястого графіту, в порівнянні з FeSi, в 1,4 рази. Застосування внутрішньоформового модифікування збільшує кількість включень кулястого графіту в 2 рази при модифікуванні FeSi і більш ніж в 2,5 рази при модифікуванні FeSiBa, FeSiCa, FeSiMgСа. Зі збільшенням швидкості охолодження з 4,3 до 8,5-10,5 оС/с ефективність ковшового графітизуючого модифікування недостатня для запобігання утворенню цементитної фази при кристалізації, тоді як графітизуюче внутрішньоформове модифікування ефективно запобігає утворенню вибілу у виливках з мінімальною товщиною стінок 2,5 мм. При цьому інокулююча дія FeSiBa і його аналогів (FeSiCa, FeSiMgСа) в 1,5-1,7 рази більша, ніж FeSi.

Досліджений вплив внутрішньоформового модифікування магнієвими лігатурами, що містять|утримують| ~ 7 % Mg|: VL-69| і ФСМг-7 (рис. 7) на структуроутворення |високоміцного чавуну. Встановлена|установлена| висока сфероїдизуюча| і графітизуюча ефективність одностадійного| внутрішньоформового модифікування лігатурами ФСМг-7 і VL-69|, внаслідок якого в перерізах ступінчастих|східчастих| проб товщиною 2,5 мм, що охолоджуються зі швидкістю 10,5 оС/с, структурно-вільний| цементит| не утворюється. Найбільш висока ступінь|ступінь| графітизації і інокуляції| одержана |одержувати| при модифікуванні лігатурою VL-69|, внаслідок|внаслідок| якої формується дрібнокристалічна структура з ферито-перлітною металевою основою і щільністю розподілу включень кулястого графіту більше 1100 шт/мм2 в перерізах товщиною 2,5 мм без включень ледебуритного цементиту, що забезпечує підвищення механічних властивостей високоміцного чавуну в литому стані до рівня, який досягається в традиційних технологіях використанням термічної обробки. За ефективністю дії на покращення параметрів структури тонкостінних виливків з високоміцного чавуну внутрішньоформове модифікування FeSiMg-лігатурами знаходиться на рівні двостадійного (сфероїдизуючого в ковші і графітизуючого в ливарній формі), але є більш технологічним (один модифікатор, одна операція його введення в розплав).

У четвертому розділі викладені результати дослідження особливостей впливу магнієвих лігатур на кінетику процесу внутрішньоформового модифікування, структуру і механічні властивості високоміцного чавуну.

Експериментально встановлені кінетичні закономірності переходу хімічних елементів в чавун протягом процесів внутрішньоформового модифікування магнієвою лігатурою ФСМг-7, магній-кальцієвою лігатурою ЖКМК-4Р, нікель-магнієвою лігатурою і феросиліцієм. Встановлений кількісний взаємозв'язок вмісту Mg, Si, Ni зі структурою і механічними властивостями високоміцного чавуну. Обгрунтована доцільність проведення процесу внутрішньоформового модифікування лігатурою ФСМг-7 та нікель-магнієвою лігатурою спільно з феросиліцієм при температурі 1380 °С, а лігатурою ЖКМК-4Р при вищій температурі - 1450 °С.

При модифікуванні лігатурою ФСМг-7 основна маса лігатури розчиняється у відцентровому реакторі впродовж 18-21 с. при загальній тривалості заливки форми ~30 с. (рис. 8). Одержання ССГ більше 85 % досягається при вмісті 0,03 % Mg і більше, що гарантує стабільно високі механічні властивості (рис. 9). З підвищенням температури заливки з 1380 °С до 1450 °С ступінь засвоєння магнію знижується на ~ 12%.

За експериментальними даними одержані математичні моделі у вигляді поліномів другого порядку, які адекватно описують вплив швидкості охолодження при внутрішньоформовому модифікуванні магнієвою лігатурою ФСМг-7 на кількість включень кулястого графіту (N), кількість фериту (F), межу міцності (ув), відносне подовження (д), твердість (HB):

N = 179,304 + 723,458 Ч V - 270,948 Ч V2, (1)

R = 97,77;

F = 104,035 - 64,8783 Ч V + 25,8986 Ч V2, (2)

R = 92,35;

ув = 375,301 + 448,221 Ч V - 212,703 Ч V2, (3)

R = 93,95;

д = 19,8268 - 15,5036 Ч V + 7,28315 Ч V2, (4)

R = 71,07;

HB = 149,301 + 122,679 Ч V - 61,5144 Ч V2, (5)

R = 80,64;

де N, F, HB, ув, д - параметри структури і механічні властивості при внутрішньоформовому модифікуванні;

V - швидкість охолодження, °С/с;

R - коефіцієнт кореляції, %.

Залежності, що характеризують структуру (N;F), справедливі для діапазону швидкостей охолодження 0,2 - 1,2 °С/с, а ті, що характеризують механічні властивості (ув, д, HB) - справедливі для діапазону швидкостей охолодження 0,2 - 0,7 °С/с. Аналогічні залежності параметрів структури і показників механічних властивостей від швидкості охолодження одержані і для ковшового модифікування лігатурою ФСМг-7.

Відображені у вигляді графіків закономірності (рис. 10) свідчать, що кількість включень|приєднань| кулястого графіту, що утворюється при внутрішньоформовому модифікуванні, в 3 рази більше, ніж при ковшовому. З|із| підвищенням щільності розподілу включень|приєднань| кулястого графіту скорочуються шляхи|колії| дифузії вуглецю з|із| аустеніту до графітних включень|приєднань|, що сприяють збільшенню кількості фериту. В порівнянні з ковшовим, при внутрішньоформовому модифікуванні кількість фериту, залежно від швидкості охолодження, збільшується в 2-5 разів. Внаслідок цього виливки з одержаного внутрішньоформовим модифікуванням високоміцного чавуну відрізняються від модифікованого в ковші в 1,5-2,0 рази більшим відносним подовженням|видовженням| і зниженими на 15-20 % міцністю і твердістю. Сприятливе поєднання міцності і пластичності при меншій твердості виливків, одержаних |одержувати| зі застосуванням внутрішньоформового модифікування, забезпечує покращену|поліпшувати| оброблюваність різанням.

Обгрунтована перспективність застосування магній-кальцієвої| лігатури ЖКМК-4Р для внутрішньоформового модифікування рідкого чавуну з підвищеним до 0,03 % вмістом|змістом| сірки. Доведено, що головними|чільними| чинниками|факторами| інтенсифікації розчинення магній-кальцієвої| лігатури в проточному реакторі є температура заливання і кількість флюориту, який додається|запроваджує| для зниження в'язкості шлаку, що утворюється (рис. 11).

Одержані|одержувати| закономірності свідчать, що температура заливання і кількість флюсу належать до головних|чільних| чинників|факторів|, що визначають ефективність внутрішньоформового модифікування магній-кальцієвою|| лігатурою.

З урахуванням|з урахуванням| одержаних результатів дослідження впливу внутрішньоформового модифікування лігатурою ЖКМК-4Р| на структуру і механічні властивості високоміцного чавуну проводилося при витраті флюориту 15 %. При температурі заливання 1450 °С|із| внаслідок покращення|покращання| умов розчинення магній-кальцієвої| лігатури підвищується ступінь сфероїдизації графіту (ССГ), збільшується кількість його включень|приєднань|, знижується міцність (рис. 12).

Визначені технологічні параметри внутрішньоформового модифікування NiMg-лігатурою| і феросиліцієм для одержання|отримання| легованого високоміцного чавуну з|із| підвищеним рівнем механічних властивостей. Розроблена ливниково-модифікуюча система з|із| двома послідовно розташованими| відцентровими реакторами і шлаковловлювачем| для двокомпонентного внутрішньоформового модифікування. Доведено, що застосування| внутрішньоформового модифікування у поєднанні зі зміцнюючим легуванням твердого розчину нікелем забезпечує одержання|отримання| виливків з високоміцного чавуну з|із| підвищеними |показниками міцності і високою герметичністю.

П'ятий розділ присвячений розробці і впровадженню у виробництво процесів внутрішньоформового модифікування для одержання виливків з високоміцного чавуну.

На підставі результатів дослідно-промислової перевірки, для Київського верстатобудівного концерну "Веркон" розроблена технологія одержання|отримання| з|із| високоміцного чавуну виливків зубчастого колеса масою 60 кг, зубчастого|зубчатого| колеса масою 20 кг і втулки масою 42 кг із застосуванням модифікування в ливарній формі.

Плавки проводили в індукційній електропечі ІСТ-050 з кислою футеровкою. Виливки отримували в сухих піщано-глинистих формах. Температура заливання форм знаходилася в межах 1370-1400 °С.

В порівнянні з модифікуванням в ковші, модифікування в ливарній формі магнієвою лігатурою ФCМг-7 протікає без піроефекту| і димовиділення|, що корінним чином покращує|поліпшує| умови праці персоналу та екологію довкілля. Для досягнення необхідного ступеня сфероїдизації графіту (більше 85 %) у структурі виливків|виливках| витрати модифікатора при внутрішньоформовому модифікуванні в два рази нижчі, ніж при модифікуванні в ковші.

У технології одержання|отримання| високоміцного чавуну модифікуванням металевим магнієм в автоклаві, що раніше застосовувалась на заводі, всі виливки піддавались високотемпературному відпалу при 950 С |загальною|тривалістю 11 годин для графітизації евтектичного цементиту|, що утворюється в процесі кристалізації. При модифікуванні в ливарній формі структурно-вільний| цементит| у виливках |виливках| не утворюється і енергоємний відпал виливків не потрібен.

Внаслідок відсутності термічної обробки економія складає 245 грн. на одну тонну|тонна-силу| литва|лиття|. Двократне зменшення витрати модифікатора утворює економію 440 грн. на одну тонну |тонна-силу|литва|лиття|. Сумарний економічний ефект складає 685 грн. на одну тонну|тонна-силу| придатного литва|лиття| в цінах 2009 р.

На підставі результатів досліджень розроблений і впроваджений на Сумському ВАТ «Центролит» технологічний процес виробництва виливків «анкер» з високоміцного чавуну ВЧ 400-15 в литому стані. Ливарні форми виготовляються на автоматичній формувальній лінії DISA. Вимоги до механічних властивостей високоміцного чавуну для виливків анкерів наступні: ув ? 400 МПа, д ? 15 %.

Спільно з|із| Сумським ВАТ «Центролит» розроблені технічні умови «Виливки|виливка| з|із| високоміцного чавуну ВЧ 400-15», затверджені Асоціацією ливарників України. Технічні умови регламентують вимоги до виливків, правила приймання, методи випробувань, маркування, транспортування, зберігання та гарантії виробника.

Економія за рахунок зниження витрат електроенергії при ліквідації операції термообробки складає 245 грн., без врахування вартості придбання|надбання| додаткового устаткування, яке|обладнання| необхідне для термічного оброблення виливків при ковшовому методі модифікування. Зменшення витрат модифікатора в 1,5 рази дозволяє зекономити 280 грн. на тонну|тонна-силу| виливків|. Спільний|загальний| економічний ефект складає більше 525 грн. на одну тонну|тонна-силу| придатного литва|виливків|.

чавун магнієвий термокінетичний кристалізація

Загальні висновки

1. В умовах графітизуючого внутрішньоформового модифікування, яке проводиться післямодифікування магнієвою лігатурою в ковші, виявлена висока графітизуюча та інокулююча| здатність|здібність| лужноземельних металів. Внаслідок| модифікування FeSiBa|, FeSiCa|, FeSiMgCa| ефективно збільшується кількість включень|приєднань| кулястого графіту, підвищується ступінь їх сфероїдизації, запобігається утворення цементитної| фази при кристалізації тонкостінних виливків . Пізнє графітизуюче модифікування сплавами феросиліцію з|із| Zr| і РЗМ, що створюють інтерметалеві з'єднання|сполуки з залізом, малоефективне.

2. Експериментально встановлена висока графітизуюча здатність внутрішньоформового модифікування відкриває можливості поліпшення структури та підвищення властивостей виливків з високоміцного чавуну за рахунок збільшення швидкості охолодження. Визначені параметри процесів пізнього модифікування, які, у поєднанні зі швидкістю охолодження (8,5 - 10,5 °С/с), яка характерна для виливків товщиною 2,5...3 мм, забезпечують одержання подрібненої литої структури, що складається з включень кулястого графіту діаметром менше 9 мкм з щільністю розподілу більше 1100 шт/мм2 і металевої основи з дрібнозернистого фериту (7...9 бал) та тонкопластинчатого перліту (Пд 0,3), що сприяє поліпшенню якості і підвищенню механічних властивостей тонкостінних виливків: ув ? 550 МПа; у0,2 ? 400 МПа; д ? 10 %.

3. Встановлено|установлений|, що за характером і ступенем|ступені| впливу на формування первинної структури тонкостінних виливків|виливків| лігатура FeSiMg2,5Са2,5| і швидкорозчинний композитний модифікатор FeSiMg7Са7| можуть бути аналогами FeSiВа| та FeSiСа|. На підставі результатів дослідження рекомендується після|потім| сфероїдизуючого| модифікування в ковші магнієвою лігатурою проводити графітизуюче внутрішньоформове модифікування одним з наступних|слідуючих| модифікаторів: FeSiВа|, FeSiСа|, FeSiMgСа| в кількості|у кількості| 0,15-0,3 % від маси розплаву, що заливається у форму.

4. Одержано|одержувати| поліномні| залежності, які адекватно описують вплив швидкості охолодження на зміну структури і механічних властивостей виливків. В порівнянні з ковшовим, внутрішньоформове модифікування більш ніж в три рази збільшує кількість включень|приєднань| кулястого графіту і більш ніж в два рази кількість фериту, внаслідок чого міцність при розтягуванні і твердість знижуються на 15-20 %, а відносне подовження|видовження| збільшується в 1,5-2,0 рази, що дозволяє отримувати|одержувати| виливки з феритного| високоміцного чавуну без проведення термічного оброблення.

5. З урахуванням того, що при внутрішньоформовому модифікуванні з|із| лігатури ФСМг-7 на початку заливання в чавун переходить набагато більше магнію, ніж в кінці|наприкінці|, рекомендується застосовувати ливникові системи, що забезпечують одночасне рівномірне заповнення розплавом однотипних виливків. Лігатура ФСМг-7 є оптимальною для виробництва відносно|щодо| однорідних по товщині виливків |виливків| втулок, шестерень, шківів, корпусів, колінчастих валів та ін., конструкція яких сприяє рівномірному розподілу магнію.

6. Показано, що внутрішньоформове модифікування магній-кальцієвою| лігатурою ЖКМК-4Р, на відміну від альтернативних магнієвих лігатур, дозволяє ефективно модифікувати розплав з|із| підвищеним до 0,03 % вмістом|змістом| сірки і характеризується близькою до лінійної закономірністю переходу магнію в розплав, що дає можливість|спроможність| отримувати|одержувати| з|із| високоміцного чавуну якісні виливки незалежно від їх конструкції і схеми ливникової системи.

7. Розроблена і впроваджена|впроваджувати| у виробництво на Київському верстатобудівному концерні «Веркон» технологія виготовлення|отримання| виливків шестерень, втулок та ін. з|із| високоміцного чавуну, що одержується|одержує| внутрішньоформовим модифікуванням. Внаслідок зниження витрат модифікатору та ліквідації термічної обробки економічний ефект від впровадження склав 685 грн. на тонну|тонна-силу| придатного литва|лиття|.

8. На підставі внутрішньоформового модифікування розроблена технологія одержання для залізниці виливків анкерів АРС-4 з феритного високоміцного чавуну з міцністю ув ? 400 МПа і відносним подовженням д ? 15 % на автоматичній ливарній лінії Disamatic. Технологія впроваджена у виробництво на Сумському ВАТ «Центролит». Економічний ефект від зниження витрат модифікатора і енергії на термічну обробку склав 525 грн. на тонну придатного литва.

Список опублікованих праць

1. Берчук Д.Н. Влияние внутриформенного графитизирующего модифицирования на структурообразование высокопрочного чугуна / Д.Н. Берчук // Процессы литья. - 2003. - № 3. - C. 39-42.

2. Бубликов В.Б. Исследование процесса модифицирования расплава чугуна в центробежном проточном реакторе магниевой лигатурой ФСМг-7 / В.Б. Бубликов, Д.Н. Берчук // Процессы литья. - 2004. - № 3. - С. 31-39.

3. Бубликов В.Б. Особенности процесса внутриформенного модифицирования чугуна магний-кальциевой лигатурой / В.Б. Бубликов, Д.Н. Берчук // Процессы литья. - 2005. - № 1. - C. 20-26.

4. Бубликов В.Б. Получение высокопрочного чугуна двухстадийным внутриформенным модифицированием: никель-магниевой лигатурой и ферросилицием / В.Б. Бубликов, Д.Н. Берчук, В.П. Латенко, Н.П. Моисеева // Процессы литья. - 2005. - № 4. - C. 28-34.

5. Суменкова В.В. Исследование термодинамики реакций взаимодействия активных элементов модификаторов с примесями чугуна / В.В. Суменкова, Д.Н. Берчук, В.Б. Бубликов // Процессы литья.- 2006.- № 4.- C. 29-34.

6. Бубликов В.Б. Повышение уровня модифицирования высокопрочного чугуна / В.Б. Бубликов, Д.Н. Берчук // Металлургия машиностроения. - 2006. - № 5. - С. 31-35.

7. Бубликов В.Б. Перспективные направления развития технологий высокопрочных и специальных чугунов / В.Б. Бубликов, Б.Г. Зеленый, А.А. Шейко, Д.Н. Берчук, Д.С. Козак // Процессы литья. - 2007. - № 1-2. - C. 32-39.

8. Бубликов В.Б. О применении кальция, бария, магния в составе модификаторов для внутриформенного графитизирующего модифицирования высокопрочного чугуна / В.Б. Бубликов, Д.Н. Берчук // Процессы литья. - 2007. - № 5.- C. 23-28.

9. Берчук Д.Н. Исследование особенностей процессов внутриформенного модифицирования чугуна магниевыми лигатурами Fe-Si-Mg (ФСМг-7) и Fe-Si-Mg-Ca (ЖКМК-4) / Д.Н. Берчук, В.Б. Бубликов // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - 2009.- № 1(15).- C. 55-59.

10. Пат. 10296 UA, MПК C22C38/00,C22C38/40. Феритна графітизована сталь / Бубликов В.Б., Козак Д.С., Берчук Д.М., Нестерук С.П., та ін.; заявник та патентовласник Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України. - № u 200503308; заявл. 11.04.2005; опубл. 15.11.2005, Бюл. № 11.

11. Пат. 11692 UA, МПК C22C37/10,В62D3/00. Холодостійкий чавун / Зелений Б.Г., Бубликов В.Б., Хуснутдінов Г.Д., Берчук Д.М.; заявник та патентовласник Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України. - № u 200504511; заявл. 16.05.2005; опубл. 16.01.2006, Бюл. № 1.

12. Пат. 22578 UA, МПК В22С9/00. Ливникова система для модифікування чавуну в ливарній формі / Бубликов В.Б., Берчук Д.М., Козак Д.С., Зелений Б.Г., та ін.; заявник та патентовласник Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України. - № u 200612610; заявл. 30.11.2006; опубл. 25.04.2007, Бюл. № 5.

Размещено на Allbest.ru