авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждения

высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ

(ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Экз. № _

УДК 621.745.55

ПАНОВ АЛЕКСЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

С ПОМОЩЬЮ МОДИФИКАТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ Специальность:

05.16.04 – Литейное производство Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант д.т.н., профессор Давыдов С.В.

Нижний Новгород – СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………. ГЛАВА 1. Анализ причин роста дефектов структуры отливок из высо копрочных чугунов …………..………………………………… Практика изготовления отливок из высокопрочных чугунов.

1.1. Современные требования к отливкам из высокопрочных чу 1.1.1.

гунов …………………………………………………………….. Основные шихтовые материалы для изготовления отливок 1.1.2.

из высокопрочных чугунов ……………………………………. Технологии приготовления и модифицирования расплавов 1.1.3.

для отливок из высокопрочных чугунов ……………….…….. Явление структурной наследственности в чугунных отлив 1.1.4.

ках ……………………………………………………………….. Методы диагностики качества литейных чугунных распла 1.1.5.

вов ……………………………………………………………….. Теоретические представления о формировании кристалличе 1.2.

ской структуры отливок из высокопрочных чугунов ………. Теория формирования кристаллического строения отливок..

1.2.1. Современные представления о расплавленном состоянии 1.2.2.

вещества …..……………..……………………………………… Современные представления о структурообразовании чу 1.2.3.

гунных расплавов ………………………………………………. Выводы по главе 1 ……………..………………………………. ГЛАВА 2. Разработка и выбор методик исследования ………………….. Методики исследования модифицирующей способности мо 2.1.

дификаторов ……………………………………………………. Методики исследования химического состава ….…………… 2.2. Методики анализа микроструктуры и механических свойств 2.3. Методики исследования процессов структурообразования 2.4. расплавов ………………………………..……………………… ГЛАВА 3. Исследование влияние микросостава и микростроения мо дификаторов на микроструктуру и механические свойства высокопрочных чугунов ……………………………….………. Влияние микроструктуры и микросостава сфероидизирую 3. 1.

щих модификаторов на Fe-Si основе ………………………… Влияние микроструктуры и микросостава сфероидизирую 3. 2.

щих модификаторов на Fe-Ni основе ………………………… Выводы по главе 3 …………………………………………….. ГЛАВА 4. Исследование структуры и структурообразования модифи каторов высокопрочных чугунов ………………………… Исследование фазовых составов графитизирующих модифи 4.1.

каторов ………………………………………………………….. Исследование фазовых составов сфероидизирующих моди 4.2.

фикаторов ………………………………………………………. Исследование процессов структурообразования расплавов 4. сфероидизирующих модификаторов ……………..………….. Структурообразование расплавов сфероидизирующих мо 4.3.1.

дификаторов на Fe-Si основе …………………………………. Структурообразование расплавов сфероидизирующих мо 4.3.2.

дификаторов на Fe-Ni основе …………………………………. Выводы по главе 4 ……………………………………………... ГЛАВА 5. Исследование процессов структурообразования расплавов чугунов в термовременных условиях, приближённых к усло виям литейного производства …………………………….….. Структурообразование модельных расплавов синтетических 5.1.

чугунов ………………………………………………………….. Структурообразование расплавов промышленных чугунов... 5.2.

Исследование расплавов промышленных ЧВГ ………………. 5.2.1.

Исследование расплавов промышленных аустенитных чугу 5.2.2. нов типа «НИРЕЗИСТ» ………………………………………...

Выводы по главе 5 ……………..………………………………. ГЛАВА 6. Разработка стабильных технологий модифицирования высо копрочного чугуна ……………………..……........................... Разработка модификаторов с регламентированной структу 6.1.

рой и технологий их применения ……………………………... Разработка сфероидизирующих и графитизирующие моди 6.1.1.

фикаторов на Fe-Si основе и технологий их применения при изготовлении отливок машиностроения из высокопрочных чугунов с ферритной и феррито-перлитной матрицей ……… Разработка сфероидизирующих аустенитных модификаторов 6.1.2.

на Fe-Ni основе и технологий их применения при изготовле нии отливок из высокопрочных чугунов высоких марок с перлитной, аустенитно-бейнитной и аустенитной матрицей. Разработка технологий получения стабильных гомогенных 6.2.

расплавов высокопрочных чугунов …..……........................... Технологии гомогенизирующей обработки чугунных рас 6.2.1.

плавов ………………………..………………………………….. Ресурсосберегающие метод и технология приготовления го 6.2.2.

могенных чугунных расплавов из однородных дисперсных отходов машиностроения ………………………………...……. Метод повышения стабильности качества литейных распла 6.3.

вов ………………………………………………………………. Выводы по главе 6 ……………………………………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………… БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………… ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………... ВВЕДЕНИЕ В последние десятилетия в отечественном производстве чугунных отливок выросло количество дефектов, связанных с низким качеством расплавов, а именно – неслитин, спаев, газовых и усадочных раковин, газовой и усадочной пористости, графитовой пористости, рыхлоты, несоответствия микроструктуры и механических свойств. Настоящая диссертация посвящена решению указан ной проблемы, её общая структура представлена на рисунке.

Для разработки научной идеи и постановки задач исследования был прове дён анализ теории и практики формирования структуры отливок из высоко прочного чугуна. Решение задач позволило разработать метод повышения ста бильности модифицирования, на основе которого разработаны и внедрены тех нологии модифицирования чугуна, составы модификаторов, технологии их из готовления, включая модифицирование их расплавов, а также составы литей ных высокопрочных чугунов, которые возможно применять при условии изго товлении отливок с помощью новых модификаторов.

Анализ особенностей литейной практики последних десятилетий показал, что она характеризуется, с одной стороны, уменьшением толщины стенок с од новременным увеличением сложности конструкции и механических свойств (увеличением «марочности») высокопрочного чугуна отливок. С другой сторо ны – массовым вовлечением в процесс изготовления отливок новых дешёвых шихтовых и вспомогательных материалов, обусловленным закономерными требованиями ресурсосбережения. А также вовлечением в литейный процесс новых разнообразных модификаторов. При этом желание испытать всё новые и новые модификаторы обусловлено нестабильностью результатов модифициро вания, приводящей к росту указанных выше дефектов отливок. В чугунолитей ном производстве, изготавливающем наибольшее количество литых заготовок машиностроения, рассматриваемая проблема стоит особенно остро и требует немедленного решения, пока отечественного производителя не потеснили ки тайские, индийские и другие активно развивающиеся конкуренты.

Рисунок. Общая структура диссертации Проблема нестабильности результатов модифицирования приводит к зна чительному перерасходу материальных и энергетических ресурсов литейного производства и сдерживает развитие изготовления отливок из таких перспек тивных чугунов, как чугуны с шаровидным и, тем более, вермикулярным гра фитом. Большинство изготавливаемых в настоящее время ответственных отли вок из таких марок высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, как ВЧ и ВЧ60 для гарантии получения механических свойств обязательно подвергают дополнительной термической обработке (отжигу и нормализации, соответ ственно) именно из-за большого разброса характеристик механических свойств в литом состоянии.

Основные положения теории формирования кристаллической структуры отливок в отечественной науке были сформированы к 80-м годам XX века ра ботами Колмогорова А.Н., Данилова В.И., Рыжикова А.А., Вейника А.И., Гуля ева Б.Б., Баландина Г.Ф., Куманина И.Б. и др. Математический аппарат теории, включающий уравнения тепло-, массопереноса и фильтрации расплава в двух фазной зоне отливки, позволяет делать расчёты процессов затвердевания спла вов, имеющих определённые тепло-физические характеристики, для исследова ния закономерностей образования газоусадочной пористости и химической не однородности отливок. С тех пор и до настоящего времени, прежде всего, в связи с появлением мощных вычислительных аппаратов, развитие теории по лучило в некоторых уточнениях, дополнениях и развитии математических ме тодов численного моделирования кристаллизации, в частности, в работах Вольнова И.Н., Миркина Л.И., Голода В.М., Александрова В.Д. и др.

В последние десятилетия на основе теории разработан отечественный си стемный комплекс моделирования литейных процессов СКМ ЛП «Полигон Софт». Кроме того, иностранными специалистами разработана серия аналогич ных комплексов: MAGMASOFT, LVMFlow, SOLIDCast, ProCAST, NovaSolid.

Однако практика применения этих комплексов в конкретных условиях литей ного производства показала наличие систематических отклонений расчётных и реальных структур отливок при неизменных расчётных и технологических па раметрах кристаллизации. Как показал анализ, такие отклонения могут быть вызваны неточностями моделей, не учитывающих, в частности, наследствен ное, в том числе, модифицированное, структурное состояние расплавов высо копрочных чугунов перед заливкой в форму.

Структурообразование чугунов исследовано и продолжает исследоваться многочисленными трудами отечественных и зарубежных учёных литейщиков и металловедов (Рубцов Н.Н., Гиршович Н.Г., Косников Г.А., Гуляев А.П., Гав рилин И.В., Жуков А.А., Сильман Г.И., Любченко А.П., Давыдов С.В., Ри Х., Курганов В.А., Захарченко Э.В., Таран Ю.Н., Малиночка Я.Н., Бунин К.П., Вертман А.А.. Самарин А.М., Арсентьев П.П., Баум Б.А., Барышев Е.Е., Голь дштейн Я.Е., Леках С.Н., Худокормов Д.Н., Морро Х., Тургдоган Е., Скаланд Т.

и многие другие). Однако, как неоднократно ими отмечалось, производственная практика в этом вопросе постоянно опережает теорию. Особенностью кристал лизации сплава Fe-C является влияние на её протекание состояния и связей уг лерода, обладающего в свободном состоянии уникальным полиморфизмом и политипизмом, проявляющимся в виде всё новых и новых открываемых в по следние десятилетия форм его существования (графит, алмаз, карбин, графен, фуллерен, фуллерит, …). Причём многие превращения углерода происходят в области температур и давления чугунолитейного производства.

Наибольшую сложность представляет изучение структурообразования ре альных чугунов в расплавленном состоянии. Сложность обусловлена много компонентностью их состава, содержащего, как правило, не менее 8 регламен тируемых (Fe, C, Si, Mn, Ni, Cr, S, P) и, как минимум, одного не регламентиро ванного (О) элементов с различными типами химических связей. Сложность обусловлена также ограниченностью экспериментальных методов исследова ний процессов, протекающих при температурах выше 1000 °С.

Названые причины привели к тому, что в настоящее время отсутствует единая для всех способов теория модифицирования железоуглеродистых рас плавов. Причиной разногласий является отсутствие общей модели механизма образования центров кристаллизации, причём построение частных моделей полностью определяется выбранной теорией структурного состояния (форм существования углерода) чугунного расплава. Каждая теория сопровождается разработкой модификаторов определённого типа. Как результат, в настоящее время существует свыше десятка теорий модифицирования расплавов чугунов, свыше 500 действующих типов модификаторов, содержащих от 2…3 компо нентов до полутора десятков. Разобраться в этом калейдоскопе модификаторов и их потребительских свойств очень сложно. В результате возникает серьёзная проблема правильного выбора модификатора и технологии его применения для промышленной технологии.

В то же время, синтез систематизированных Никитиным В.И. знаний по структурной наследственности литых изделий, результатов новейших исследо ваний в направлении, которое по предложению Жучкова В.И. принято называть «металловедение ферросплавов», а также последних достижений науки в обла сти структурообразования расплавов дают возможность с новых позиций по дойти к решению указанной проблемы.

Актуальность темы подтверждена включением в планы НИОКР отече ственных литейных предприятий машиностроения, таких как ОАО «КАМАЗ Металлургия», ОАО «АЛНАС» и других, и производителей модификаторов, таких как ООО «НПП Технология», ООО «НЭК им.

Корниенко Э.Н.», ООО "НПК МеталлТехноПром" и др. (Приложения 1-4), а также организацией спе циализированной ежегодной научно-производственной конференции по ука занным проблемам «Литейный консилиум» (г.Челябинск, 2005-20012 г.г.). Ли тейный консилиум (ЛК) №1 «Модифицирование как эффективный метод по вышения качества чугунов и сталей», соорганизатором и главным редактором которого стал автор диссертации, состоялся в 2005 году в Челябинске в рамках решения проблемы «Повышение качества российских отливок из чугунов и сталей». В ЛК №1 приняли участие руководители литейных производств, спе циалисты литейщики и металлурги, представители лабораторий и учёные, в общей сложности 84 человека от 45 предприятий и научных учреждений из города России, Украины, Белоруссии и Италии. Одним из результатов работы первого ЛК стало определение статуса мероприятия как совета специалистов литейной, металлургической и смежных с ними областей знаний по решению указанной проблемы.

Цель диссертационной работы Целью диссертационной работы является усовершенствовать составы, строение, технологии изготовления и применения модификаторов для обеспе чения стабилизации на заданном уровне структуры и свойств отливок из высо копрочных чугунов.

Задачи диссертационной работы 1. Исследования влияния строения и микросостава сфероидизирующих модификаторов на строение и свойства отливок из высокопрочных чугунов.

2. Исследование процессов структурообразования расплавов нелегирован ных и легированных чугунов с пластинчатым, шаровидным и вермикулярным графитом при нагреве и охлаждении в области температур, реализуемых в ли тейном производстве.

3. Структурные исследования в твёрдом и расплавленном состояниях из вестных и разработанных литых модификаторов на Fe-Si и Fe-Ni основах.

4. Разработка метода повышения стабильности модифицирования структу ры отливок высокопрочных чугунов.

5. Разработка метода нейтрализации модификаторами наследственных элементов структуры чугунных расплавов (ЭСЧР).

6. Разработка требований к качеству литых модификаторов высокопроч ных чугунов, обеспечивающих повышение стабильности результатов модифи цирования и разработка и совершенствование на их основе составов и строения модификаторов.

7. Разработка и совершенствование способов и технологий изготовления модификаторов и модифицирования литейных чугунных расплавов.

8. Разработка и совершенствование составов литейных чугунов, получае мых с помощью разработанных модификаторов и технологий модифицирова ния.

9. Разработка новых и совершенствование известных методик исследова ния количественного химического анализа модификаторов, модифицирующей способности модификаторов, микроструктуры модификаторов и чугунов ком пьютерными методами количественной металлографии, а также вязкости и структурообразования расплавов модификаторов и чугунов.

10. Внедрение результатов работы в действующее производство.

Научная новизна диссертационной работы 1. Выявлено и научно обосновано влияние микроструктуры модификато ров на кристаллизацию чугунов, предложены модели кристаллизаций феррита, аустенита и графита чугуна, обусловленных элементами структуры чугунных расплавов (ЭСЧР), унаследованными от фазовых составляющих лигатур модификаторов на Fe-Si-Mg и Fe-Ni-Mg основе.

2. Установлены закономерности формирования структуры лигатур на Fe Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе под воздействием обработки их расплавов поверх ностно-активными элементами (Bi+Te) и последующей ускоренной кристалли зации с центрифугированием расплава.

3. Разработан метод повышения стабильности модифицирования высоко прочных чугунов, включающий предварительную нейтрализацию его струк турной наследственности карбонатами ЩЗМ по технологии, зависящей от прочности связей углерода в шихтовых материалах, и после-дующую обработ ку расплава модификаторами, обладающими структурой, обеспечивающей его специфическую микронеоднородность (насыщение его необходимыми ЭСЧР), являющуюся функцией требуемой микроструктуры графита и матрицы отли вок, а также параметров литейной технологии.

4. В развитие квазихимической и квазиполикристаллической моделей мик ронеоднородного строения расплавов установлены закономерности влияния исходного микростроения промышленных и модельных конструкционных и ле гированных чугунов, а также модификаторов на Fe-Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе на характеристики процесса структурообразования их расплавов.

5. Разработан механизм нейтрализации карбонатами ЩЗМ Fe-C-кластеров за счёт синергетического эффекта от образования, роста и перемещения газо вых пузырьков оксидов углерода {СО2+CO}, обеспечивающих создание микро однородного состояния расплава чугуна без применения высокотемпературной термической обработки (ВТОР).

6. Установлены связи характеристик микроструктуры и микросостава мо дификаторов на Fe-Si основе с их дробимостью и интенсивностью флуоресцен ции их элементов при рентгеновском облучении, обеспечивающие оптимиза цию методик количественного химического анализа (КХА) их состава рентге носпектральным методом с необходимой для литейного производства точно стью.

7. Установлены закономерности поведения статистических характеристик количественных параметров микроструктуры графита чугунов и основных фаз модификаторов на Fe-Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе, вычисляемых с помощью про граммного обеспечения ImageExpert Pro 3 в зависимости от условий получения и обработки цифровых моделей микроструктуры.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1. Получены многочисленные статистически достоверные результаты ис следований строения, а также физических, физико-механических, технологиче ских и потребительских свойств известных и новых модификаторов чугунов в твёрдом и расплавленном состоянии.

2. Разработаны составы и технические условия на сфероидизирующие мо дификаторы чугунов нового поколения на Fe-Ni основе, технологии их изго товления (защищены патентом РФ №2277589) и применения, а также составы сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов чугунов на Fe-Si ос нове (защищены Евразийским патентом №008521) и технологии их изготовле ния и применения.

3. Разработаны составы рафинирующе-модифицирующих смесей (защи щены Евразийским патентом №012637) и технологии обработки расплавов чу гунов ваграночного, дугового, индукционного процессов карбонатами ЩЗМ, обеспечивающих приведение их в микрооднородное состояние перед графити зирующим и сфероидизирующим модифицированием.

4. Разработаны составы экономно легированных ростоустойчивых износо стойких литейных чугунов аустенитного класса (защищены патентами РФ №2404278 и №2444578) и технологии их модифицирования сфероидизирую щими модификаторами нового поколения на Fe-Ni основе, а также составы термостойких износостойких литейных чугунов с шаровидным графитом фер ритного класса, упрочнённых карбидами титана (защищены патентом РФ №2119547), и технологии их модифицирования сфероидизирующими модифи каторами нового поколения на Fe-Si основе.

5. Разработан энергосберегающий способ получения качественного мик роднородного литейного расплава из дисперсных отходов, в частности из чу гунной стружки, без дополнительных обработок, таких как ВТОР, обработка карбонатами ЩЗМ и т.п. (защищён патентом РФ №72227).

6. Разработаны методики определения эффективности модификаторов и стабильности процесса модифицирования, обеспечивающего гарантированное получение структуры чугуна в отливках, методики контроля химического со става модификаторов на Fe-Si-Mg основе рентгеноспектральным методом, впервые учитывающие влияние их структуры на дробимость во время подго товки проб-излучателей и флуоресценцию элементов при рентгеновском облу чении, а также методики контроля характеристик микроструктуры графита чу гунов и активных структурных составляющих литых модификаторов компью терными методами количественной металлографии.

Результаты работы внедрены с получением по состоянию на 01.06. общего полученного экономического эффекта более 31 млн. руб.:

отливок прокатных валков ОАО «ССМ ТяжМаш» (г. Череповец), ЗАО «МРК» ОАО «ММК» (г. Магнитогорск);

автомобильных отливок ОАО «КАМАЗ-Металлургия» (г. Набережные Челны), ОАО "АвтоВАЗ" (г. Тольятти), ОАО "УАЗ" (г. Ульяновск), ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск);

отливок рабочих органов погружных насосов ОАО «АЛНАС» (г. Аль метьевск), ООО «Новые технологии» (г. Чистополь);

отливок рабочих органов хлебопекарного оборудования ОАО «Электро-терм-93» (г. Саратов);

отливок оборонного машиностроения ОАО «Барнаултрансмаш» (г.

Барнаул);

ремонтных отливок из высокопрочного чугуна ООО «НЭК им. Э.Н.

Корниенко» (г. Елабуга);

железнодорожных отливок ОАО "ШЗГ" (г. Шахты);

модификаторов ООО «НЭК им. Э.Н. Корниенко» (г. Елабуга), ООО «НПП Технология» (г. Челябинск), ООО «МеталлТехноПром» (г. Ир кутск);

контроля состава модификаторов ООО «ИЦМАЛ» (г. Челябинск) и др.

Апробация диссертационной работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX и X съездах литейщиков России (г. Уфа – 2009, г. Казань – 2011), VI, VIII и IX всероссийских научно-практических конференциях «Ли тейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2006, 2010 и 2012), III и IV российского научно-практического совещания «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (г. Самара, 2010, 2012), II научно практической конференции «Заготовительные производства предприятий вол го-вятского региона» (г. Нижний Новгород, 2010), международной конферен ции «Высокопрочный чугун с шаровидной и вермикулярной формой графита – металл будущего» (г. Наб. Челны, 2010), V международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки мате риалов» (г. Минск, 2010), международной научно-технической конференции «Образование и наука - производству» (г. Наб. Челны, 2010), IV и V междуна родных конференциях «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (г. Москва, и 2007), Литейных консилиумах №1 и №2 (г. Челябинск, 2006 и 2007), XV научно-практическом семинаре «Аналитика-2007» (г. Санкт-Петербург, 2007), международном научно-техническом совещании «Внепечная обработка литей ных сплавов и экология литейного производства» (г. Минск, 2004), междуна родной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надёжности технологических, энергетических и транспортных машин» (г. Самара, 2003), международных научно-технических конференциях «Механика машинострое ния» (г. Наб. Челны, 1995 и 1997) и международной научно-технической кон ференции «Молодая наука – новому тысячелетию» (г. Наб. Челны, 1996).

Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 80 печат ных работах, в том числе в 32 рецензируемых журналах, включённых в пере чень ВАК РФ, и 2-х монографиях. Получены 7 патентов.

Объём и структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на страницах, включая 93 рисунка и 61 таблицу, а также включает библиографиче ский список из 263 источников и 21 приложения на 57 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН РОСТА ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ 1.1. ПРАКТИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ 1.1.1. Современные требования к отливкам из высокопрочных чугунов.

В 2013 году исполнилось 65 лет с момента первого публичного сообщения фирмы «International Nickel Company» о получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [32]. Этот материал оказался настолько хорош, что в настоящее время доля отливок из высокопрочного чугуна составляет более 37% в мировом выпуске всех отливок, в том числе – более 50% в мировом выпуске всех чугунных отливок. Высокопрочный чугун сначала с шаровидным (ЧШГ), а затем и вермикулярным (ЧВГ) графитом используется во многих областях вза мен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов [250]. К началу 90-х годов ХХ века половину мирового тоннажа ЧШГ составляли центробежнолитые тру бы. Номенклатура отливок из ЧШГ, освоенных в мировом автомобилестроении к этому времени, представляла собой: коленчатые и распределительные валы;

блоки цилиндров;

кронштейны рессор, картеры заднего моста, дифференциала, делителя и т.п.;

шатуны, тормозные барабаны;

диски сцепления, маховики;

вы хлопные коллекторы;

крышки подшипников;

ступицы;

зубчатые колёса;

порш ни;

поршневые кольца;

корпуса турбин;

сервопоршни;

сервоцилиндры;

кулаки заднего моста;

поворотные шкворни;

водила планетарного механизма конечной передачи;

корпуса передней оси;

рычаги поворотного кулака. В настоящее вре мя ЧШГ – распространённый материал запорной и регулирующей арматуры;

подшипников скольжения, туннельных сегментов для метрополитена и подзем ных дорог, деталей сменного металлургического оборудования: сорто- и листо прокатных валков, изложниц для прокатных и поковочных слитков массой до 10 т и некоторых других деталей [94, 250]. Авторы [96, 250] отмечают качество и особую перспективность отливок из бейнитных высокопрочных чугунов для изготовления особо нагруженных и ответственных литых изделий, таких как коленчатые валы, а также зубчатые колёса и шестерни. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом в мире применяется для широкой номенклатуры от ливок [217]: маслопроводов тракторов, опорных деталей головок цилиндров тяжёлых грузовиков, крепёжных деталей рам грузовиков, тормозных рычагов тракторов, шкивов сервопривода грузовика, монтажных кронштейнов балласт ных грузов тракторов, бандажных колец шестерён грузовиков, монтажных де талей двигателей ножей тракторов, корпусов промежуточных зубчатых пере дач, соединительных вилок, несущих кронштейнов, цепных звёздочек, тормоз ных кронштейнов, вентиляторных подушек соединительных фланцев, крышек коробок передач, картеров, чашек дифференциалов, роторов, корпусов под шипников, головок цилиндров крупных морских дизельных двигателей внут реннего сгорания и мощных высокоскоростных дизель-генераторов, корпусов турбогенераторов, выхлопных коллекторов и т.д. и т.п.

Анализ динамики объёмов производства, результатов научных исследо ваний, широкого спектра типов и марок позволили автору [32] сделать вывод о том, что в XXI веке высокопрочный чугун займёт лидирующее положение и будет конкурентным не только со сталью, но и с лёгкими, менее технологич ными и значительно более дорогими, Al-сплавами, выпуск которых в последние годы также динамично растёт.

В СССР до перестройки проводились масштабные исследования в обла сти как материаловедения высокопрочных чугунов с шаровидным и вермику лярным графитом, направленные на установление закономерностей структуро образования в них графита [61, 79, 95, 250], так и в области литейного произ водства, направленные на изучение и совершенствование их литейных свойств [30, 238, 250]. В результате исследований разработаны технологии изготовле ния и стандарты широкой гаммы отливок из ЧШГ [32]: высоконагруженных коленвалов дизельных двигателей тракторов и зерноуборочных комбайнов, а также автомобильных, тепловозных и судовых двигателей;

корпусных отливок судового машиностроения, деталей оболочки взрывозащищённых двигателей;

суперлёгких отливок автомобилестроения с минимальной толщиной стенок до 1,5 мм;

коррозионностойких, немагнитных и других специальных аустенитных отливок рабочих органов компрессоров и погружных насосов. Разработаны технологии изготовления отливок из ЧВГ и проведены их испытания [6, 250] для небольшой номенклатуры машиностроения и металлургии.

В то же время, с началом перестройки масштабы фундаментальных и прикладных исследований в области литейного материаловедения и производ ства отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным и, тем более, вермику лярным графитом резко сократились. Это привело к тому, что некоторые теоре тические и опытные результаты, представленные в последних справочных из даниях советского периода [248, 250] не нашли подтверждения на практике.

Так, например, авторы [250] пишут, что ЧВГ более технологичен, чем серый чугун (СЧ) высоких марок и ЧШГ, поскольку у него меньше усадка и склон ность к отбелу. Однако на практике попытки освоить производство отливок из ЧВГ в конце 80-х годов XX века отечественными литейными производствами не увенчалось успехом именно из-за их металлургической нетехнологичности [46]. А именно – исключительно низкой стабильности морфологии графита (степени сфероидизации графита) в микроструктуре отливок, имеющих опреде ляющее влияние на литейные и потребительские свойства ЧВГ.

Ситуация с легированными чугунами, содержащими шаровидный графит, ещё более показательна. ГОСТ 7769-82 [57], устанавливающий требования к чугунам легированным для отливок со специальными свойствами, хотя и со держит 10 марок чугуна с приставкой Ш – с графитом шаровидной формы, од нако имеет существенные недоработки.

В результате эти марки из-за неста бильности и дороговизны операции модифицирования расплава чаще всего производятся без неё и без получения в структуре отливок графита шаровидной формы! Отговорками в этом случае для потребителей служит тот факт, что стандарт определяет марку только по химическому составу, причём регламен тируется содержание серы до 0,03%1, а содержания магния и церия не регла При таком остаточном содержании серы получение шаровидной формы графита практически невозможно [250] ментируется вовсе. И хотя ГОСТ7769-82 и содержит дополнительно к этому требованию пункт, определяющий содержание в чугунах с шаровидным графи том количество такого графита не менее 80%, однако в стандарте не указаны методы контроля этого параметра, а ГОСТ3443-87 [55], определяющий методы контроля элементов микроструктуры графитизированных чугунов, на отливки из легированных чугунов не распространяется.

В то же время, в результате усиления рыночных отношений увеличились требования по снижению себестоимости деталей. Для выполнения этих требо ваний литейщики вынуждены постоянно повышать механические свойства и снижать вес отливок, а также использовать более дешёвые шихтовые материа лы. Такие меры, как правило, сопровождаются увеличением нестабильности характеристик микроструктуры чугуна [89]: фактора формы (степени сферои дизации), размеров и распределения графита, соотношения долей пер лит/феррит, дисперсности перлита, размера зерна феррита и перлита, а также увеличением дефектности отливок по негерметичности, усадочным и газовым раковинам, недоливам, отбелу и т.д. (рисунок 1.1.). Эти дефекты можно услов но разбить на две группы: первая – дефекты, связанные с ухудшением литейно го технологического свойства – жидкотекучести расплава (несоответствия по геометрии и дефекты поверхности), вторая – дефекты, вызванные особенностя ми кристаллизации расплава (несплошности в теле отливки, несоответствия по микроструктуре).

Большей частью дефекты второй группы являются критическими или зна чительными [54], то есть эксплуатация изделий с их наличием либо не допу стима, либо характеризуется резким снижением надёжности и ресурса эксплуа тации. С другой стороны, такие дефекты являются неявными и неустранимыми, то есть обнаруживаются либо во время их последующей обработки, стендовых испытаний, либо во время эксплуатации. Поэтому, даже относительно неболь шое количество рассматриваемых дефектов из-за их высокой значимости имеет в конечном итоге большие риски и может приводить к высоким отрицательным последствиям. Для получения особо ответственных отливок из высокопрочных чугунов с перлитной (ВЧ60, ВЧ70), и ферритной матрицей (ВЧШГ40), а также для устранения отбела и макронеоднородности структуры в отливках литейщи ки часто вынуждены применять дополнительные легирование и модифициро вание расплавов, а также термическую обработку отливок [248, 250].

Рисунок 1.1. Классификация дефектов отливок, связанных с недостаточ ным качеством литейного расплава В результате выше названых причин отечественное литейное производство в настоящее время имеет сильное отставание от ведущих промышленных дер жав по доле качественных отливок из ЧШГ (менее 10%), а отливки из ЧВГ, АБЧШГ, легированных чугунов с шаровидным графитом в нашей стране се рийно практически не производятся [68]. В таблице 1.1 представлены данные по доле чугунных отливок, производимых в некоторых ведущих промышлен ных странах [9, 46].

Высокий удельный вес отливок из чугуна в их общем объёме производства (стальное и цветное литье) в зарубежных странах сохраняется в последние де сятилетия в основном за счёт очень быстрого роста отливок из высокопрочного чугуна (ВЧ). Если в США лишь 55% чугунного литья изготавливают из тради ционного серого чугуна с пластинчатым графитом, то в России этот чугун пол ностью доминирует, составляя больше 90% общего производства чугунного ли тья.

Таблица 1. Доля высокопрочного чугуна в общем объёме чугунных отливок ведущих промышленных стран [9, 46] № Доля чугунных отливок, % п/п Страна Всего ВЧ от общего объёма чу гунных отливок 2000 г 2002 г 2000 г 2002 г США 1 70,1 70,1 42,3 44, Япония 2 74,5 72,6 42,3 41, Германия 3 77,8 77,6 37,3 35, Великобритания 4 84,2 83,9 44,2 36, Франция 5 80,7 83,3 48,0 47, Италия 6 59,3 56,8 28,2 32, Россия 7 73,0 71,0 3,83 3, Таким образом, несмотря на огромное количество исследований, патентов и другой технической информации, в нашей стране ЧШГ и ЧВГ недостаточно освоен, его применение сопровождается высоким уровнем нестабильности про цесса и приводит к высокому браку и себестоимости, проигрывающей в конку рентной борьбе иностранным производителям даже с учётом более низких транспортных и отсутствием таможенных затрат. Поэтому в последнее время отечественные литейные производства, несмотря на нелёгкое финансовое со стояние, вынуждены были возобновлять исследования (Приложения 1…4, [30, 140, 158, 161, 162, 169, 170, 180, 182-185, 187, 210, 212, 222, 238, 241]).

1.1.2. Основные шихтовые материалы для отливок из высокопрочных чу гунов.

В настоящее время произошли принципиальные изменения структуры шихты чугунолитейного производства. Главное произошедшее изменение – то тальное сокращение на десятки и сотни процентов доли относительно дорогих доменных передельных и литейных чугунов с одновременным увеличением до ли относительно дешёвого стального лома совместно с науглероживателями, связанное с требованием снижения материальных затрат при изготовлении от ливок [4, 45, 68, 87, 121, 199-202, 206, 248, 250].

В то же время, из-за острого дефицита во всем мире лома чёрных ме таллов и, прежде всего, качественного лома, удобного для электроплавки чу гуна, отечественные ломозаготовительные предприятия из-за высокого спроса и более высоких цен зарубежных потребителей постоянно увеличивают экс порт лома, оставляя для отечественных потребителей только лом низкого каче ства [59, 125]. Анализ, проведённый автором [59] в 2005 году, показал, что за лет после распада СССР металлофонд бывшего СССР уменьшился примерно в 2 раза. Причём в нём резко сократилась доля (до 40-50%) потенциальных ис точников легкозаготавливаемого и высококачественного лома (машины, обору дование, транспортные средства) и соответственно возросла доля (50-60%) по тенциальных источников труднозаготавливаемого лома (здания, сооружения), что неизбежно приводит к дальнейшему ухудшению общего уровня и умень шению стабильности качества заготавливаемого амортизационного лома.

В отечественной практике чугунолитейного производства традиционно в качестве носителя углерода используются углеродсодержащие материалы как искусственного происхождения (каменноугольные коксы, древесный уголь, графиты различных марок, стружка и бой электродного графита), так и природ ные (естественный или чешуйчатый графит, различные угли, в том числе ан трацит и термообработанный антрацит или термоантрацит).

Чаще всего при выборе науглероживателя о качестве материала судят по регламентируемому содержанию в нём углерода, золы и влажности [49, 252], а в технологическом процессе – по усвоению из него расплавом углерода. Срав нительный анализ эффективности взаимодействия расплава с углеродистыми материалами, как правило, проводят, не принимая во внимание особенностей их микросостава и микростроения. Отечественными учёными в области литей ного производства, в частности, Шумихиным В.С. с коллегами (таблица 1.2, рисунок 1.2 [252]), по практическим плавкам сделан вывод о том, что степень насыщения чугунного расплава углеродом тем выше, чем меньше зольность и выше содержание углерода в используемом реагенте.

Таблица 1.2.

Особенности науглероживания при получении синтетического чугуна [252] Содержание, % Параметры усвоения «С»

Науглероживатель С Летучие Зола Траспл, наугл, Усвоение Скорость °С мин углерода, усвоения С, %С/мин % Уголь донецкий 67,8 30,6 18,6 1510 24 60 0, Древесный уголь 91,8 7,0 1,2 1500 27 60 0, Кокс каменноугольный 86,5 1,8 11,7 1530 23 75 0, Кокс сланцевый 90,8 6,2 3,0 1510 22 80 0, Термоантрацит кусковой 89,6 1,6 8,8 1540 30 78 0, Термоантрацит отсев 87,9 2,5 9,6 1520 26 76 0, Графит естественный 89,7 1,8 8,5 1530 23 77 0, Электродный бой 1 94,0 3,2 2,8 1520 19 90 0, Электродный бой 2 — 98,8 1,2 1530 22 95,1 0, 0,14 0, 0,12 0, R = 0,557 R = 0, 0,1 0, 0,08 0, 0,06 0, 0,04 0, 0,02 0, 0 0 5 10 15 20 0,00 10,00 20,00 30, а) Влияние содержания золы б) Влияние содержания летучих 0,14 0, R = 0, 0,12 0, 0,1 0,1 R = 0, 0,08 0, R = 0, 0,06 0, 0,04 0, 0,02 0, 0 60 70 80 90 100 1450 1470 1490 1510 1530 в) Влияние содержания углерода г) Влияние температуры Рисунок 1.2. Влияние характеристик науглероживателей и температуры на скорость усвоения углерода чугунным расплавом по данным [252] Несмотря на 40-летнюю давность этого анализа, более новой принципи ально отличающейся информации по этой теме в отечественной литейной науке не представлено. Поэтому в настоящее время подход к оценке качества науглероживателей не изменился, и к современным отечественным науглеро живателям предъявляются те же требования максимального содержания угле рода и минимального содержания золы и летучих [101, 231]. Однако зольность влияет не только на степень усвоения углерода, зола ещё и является поставщи ком в расплав различных химических элементов. Все составляющие золы де лятся на макро- и микрокомпоненты. К макрокомпонентам относятся такие химические элементы как S, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti. Микрокомпонентами могут быть As, Hg, V, Pb, Zn, Se, Mo, Ni, Sb, P, Co, Cr, Tl, Li, Mn, Ge,Ga, Re, Ag, Au и другие [86, 144].

Воздействие такой смеси разнообразных элементов как в отношении усваиваемости углерода, так и по влиянию на микроструктуру и конечные свойства чугуна может быть различным. Зольность науглероживателя может влиять на усваиваемость углерода расплавом в результате замедления молеку лярной диффузии. Зольные примеси, например, в антраците, в основном нахо дятся в виде прослоек в межкристаллитном пространстве. Раздвигая плоскости кристаллитов и одновременно сшивая их, они уменьшают прочность связи кри сталлитов между собой. В таком случае именно минеральные примеси вступа ют в первую очередь во взаимодействие с расплавом и только после неё – соб ственно углеродные составляющие кристаллитов. Примеси в углеродистом ма териале могут также входить и в химическую структуру кристаллитов. Такими гетеро-атомами чаще всего служат сера, азот, водород, кислород.

Массовая доля золы в углеродистом материале зависит от количества зольных примесей исходного углеродсодержащего сырья, от температуры про изводства этого материала, крупности используемой фракции. Для твёрдых уг леродистых материалов природного происхождения (уголь, естественный гра фит: литейный, тигельный) или продуктов, полученных на их основе (камен ноугольные коксы доменные или литейные), характерна более высокая золь ность. Состав и строение зольных примесей также могут быть различными в зависимости от базового месторождения и температур термообработки, так как они претерпевают значительные изменения под воздействием высоких темпе ратур. Наиболее чистыми от примесей являются углеродистые материалы, под вергнутые процессу графитации. Процесс графитации при получении графито вой продукции разных марок осуществляют в промышленных условиях при температурах 2400-2600 °С без доступа воздуха. Графитация материала с ис ходной зольностью 5-8 % позволяет снизить её до 1,0-1,5 %. Кроме того, при графитации происходит перестройка структуры углеродистого материала в со вершенную графитовую решётку или близкую к ней [144].

Анализ зависимости степени и скорости науглероживания (таблица 1.2., рисунок 1.2) от составов углеродистых материалов, используемых в качестве науглероживателей, показал, они зависят не только от содержания углерода, золы и летучих, но и от качества золы и летучих используемого углеродистого материала. Особенно сильно такая зависимость проявляется для скорости усво ения углерода при его содержании в науглероживателе более 85% (рисунок 1.2,б).

б) а) в) Рисунок 1.3. Структура графитовых слоёв а) упорядоченная структура в графите;

б) неупорядоченная структура в микро кристаллическом углероде (активном угле);

в) то же – в саже Анализ строения традиционных науглероживателей показал, что все они характеризуются кристаллическим строением по типу графита, но с разной сте пенью совершенства и упорядоченности плоскослоистой структуры, а также разной степенью дисперсности кристаллитов (рисунок 1.3, [144]). Графит – гек сагональная полиморфная модификация углерода. Он характеризуется идеаль ной кристаллографической решёткой с расстоянием между слоями 0,3354 нм, представленной на рисунке 1.3.а. Основным элементом конструкции кристалла графита является плоский атомный слой (атомная сетка). Атомные слои уложе ны в определённом порядке: один слой, непосредственно расположенный над соседним слоем, сдвигается в горизонтальном направлении на величину, рав ную sp2- связи С – С (0,142 нм), т.е. атомы углерода в каждом слое располага ются точно под центром правильных шестиугольников в соседнем верхнем слое, причём порядок упаковки выражается чередованием слоёв. Графит с лёг костью образует соединения внедрения с элементами металлов, например, с железом.

Термоантрацит – прокалённый или кальцинированный при температурах 1300±50 °С природный антрацит. Он характеризуется слоистой неупорядочен ной молекулярной структурой, состоящей из кристаллитов с большим расстоя нием между слоями (0,344-0,346 нм), чем у графита. В самих кристаллитах со держится значительное количество гетеро атомов, а между их слоями внедрены зольные примеси, которые раздвигают слои и затрудняют перестройку кри сталлитов антрацита в кристалл графита.

Каменноугольные коксы производят спеканием при температурах 870 970 °С измельчённой до крупности не более 3 мм шихты, состоящей из углей низкой степени метаморфизма разных марок (от газовых до тощих) по специ альной технологии в коксовых печах. Они характеризуются смешанной кри сталлитно-аморфной структурой с различным соотношением составляющих в коксах различных производителей. Кристаллиты в каменноугольном коксе имеют искусственно созданную разнонаправленность плоских (как в природ ном термоантраците) решёток углерода. Однако зольные примеси в структуре кокса не имеют упорядоченного, как в термоантраците, распределения, они находятся во всем объёме рассредоточено. Такое строение показывает, что про калка при высоких температурах избавляет каменноугольный кокс от аморфной составляющей, но не позволяет получить совершенной графитовой структуры.

Разупорядоченность распределения зольных примесей в каменноугольном кок се приводит к увеличению скорости усвоения углерода по сравнению с термо антрацитом, хотя их содержание в коксе в 1,33 раза выше, чем их содержание в термоантраците. При применении отсевов, полученных при измельчении тер моантрацита, в которых за счёт разрушения, измельчения и перемешивания кристаллитов зольные примеси распределены более равномерно, скорость усвоения углерода также увеличивается.

Древесный или активный уголь характеризуется рыхлой структурой, со стоящей из кристаллитов размерами 1-3 нм, т.е. настолько мелких, что даже прежде его структуру считали аморфной. Активный уголь относят к группе микрокристаллических разновидностей углерода. Хотя графитовые кристалли ты состоят из плоскостей протяжённостью 2-3 нм, образованных шестичлен ными кольцами, типичная для графита ориентация отдельных плоскостей ре шётки относительно друг друга нарушена. Это означает, что в активных углях слои беспорядочно сдвинуты относительно друг друга и не совпадают в направлении перпендикулярном плоскости слоёв (рисунок 1.3.б). Расстояние между слоями больше, чем у графита и составляет от 0,344 до 0,365 нм. Диа метр заключённого в одной плоскости строительного элемента составляет 2,0 2,5 нм, а иногда и больше. Высота пачки слоёв равна 1,0-1,3 нм. Таким образом, графитовые кристаллиты в активном угле содержат всего 3-4 параллельных уг леродных слоя.

Химическим подтверждением графитной структуры активных углей явля ется возможность образования соединений внедрения. Судя по скорости усвое ния углерода древесного угля, размеры кристаллитов в структуре науглерожи вателя также играют роль.

Сажа (технический углерод) – дисперсный продукт, образующийся в ре зультате неполного сгорания или термического разложения углеводородов. Он состоит из сферических частиц размером от 100 до 3500 нм. Эти частицы обра зованы слоями углеродных атомов, подобными слоям в графите, но не плоски ми, а изогнутыми, т.е. как бы закрытыми (рисунок 1.3.в). К сожалению, данных о скорости усвоения углерода при использовании в литературе не представле но, но можно предположить, что она значительно ниже, чем у графита.

Анализируя вышеизложенное, становится понятно, что без специальной подготовки традиционных науглероживателей невозможно добиться постоян ства их качества, в частности по содержанию и составу зольных примесей, что может приводить к нестабильности и непредсказуемости результатов их ис пользования. Поэтому за рубежом фирмой ELKEM специально разработан электрокальцинатор для производства науглероживателей серого чугуна, поз воляющий проводить прокалку при температурах до 3000°C [257]. Из специ ально подобранного сырья получают науглероживатель Эльграф марок Premium G, Premium S с зольностью не более 0,5 %, и особо чистый синтетиче ский графит с зольностью до 0,08 %. Причём в требованиях оговаривается эле ментный состав по содержанию углерода, серы, азота и водорода. Материал Эльграф характеризуется низким содержанием азота и водорода и рекоменду ется производителем для получения чугунов, обладающих перлитной структу рой. Однако указанные науглероживатели значительно дороже отечественных материалов и по этой причине практически не применяются.

1.1.3. Технологии приготовления и модифицирования расплавов для отли вок из высокопрочных чугунов.

В настоящее время в отечественном производстве исторически сложилось так, что большая часть машиностроительных отливок из высокопрочного чугу на изготавливается из расплавов электродуговой плавки. Это, прежде всего, ав томобильные отливки, производимые такими литейными гигантами как ОАО «КАМАЗ-Металлургия», ОАО «АвтоВАЗ», плавильные мощности которых бы ли введены в строй более 30 лет назад [166]. В то же время, в последние годы наметилась тенденция замены дуговых печей либо на дуплекс процесс «дуговая печь – индукционная печь», либо просто на индукционные печи [68]. Метал лургия литейных производств средних и малых предприятий, производящих, или пытающихся начать производить отливки из чугуна с шаровидным графи том, как правило, применяет индукционные печи ёмкостью от 160 кг до 10 т [199-202, 219].

В научной и, особенно, технической печати идёт активное обсуждение преимущества и недостатков различных электропечных процессов приготовле ния расплавов [80, 109, 110, 116-121]. В последние годы значительное количе ство публикаций посвящено вопросам использования дуговых сталеплавиль ных печей постоянного тока (ДСППТ) в машиностроительной промышленно сти [109, 116-120]. К преимуществам ДСППТ относят: меньший удельный рас ход электроэнергии, обеспечение равномерной тепловой облучённости стен и свода, повышение стойкости футеровки и снижение расхода огнеупоров, сни жение угара железа и легирующих элементов, уменьшение количества выделя ющихся при проведении плавки газов и пыли и возможность работать без газо очистки, возможность перемешивания расплава и другие технологические воз можности. К недостаткам ДСППТ относят: отказ от применения кислорода, во доохлаждаемых панелей, средств интенсификации плавки за счёт применения газокислородных горелок и вдувания порошка углеродсодержащих материалов, сифонного выпуска и работы с «болотом», внепечной обработки расплава.


Независимо от типа применяемого тока (переменный или постоянный) дуговой процесс характеризуется локальным перегревом расплава в близлежа щих к электрической дуге (в верхней части металлической ванны) области рас плава и локальным недогревом удалённых от дуги (в нижней части металличе ской ванны) области расплава, а также низкими скоростями перемешивания ме талла из-за вертикальной разнонаправленности градиентов температур и плот ности расплава. Такая специфика дугового процесса плавки приводит к про блеме температурной и структурной макро и микро неоднородности литейного чугунного расплава [173].

В чугунолитейном производстве наблюдается устойчивая тенденция в увеличении объёмов использования индукционных тигельных печей (ИТП) [110]. Индукционный метод обеспечивает выделение теплоты непосредственно в металле без теплопередачи излучением или конвекцией, поэтому индукцион ные печи имеют более высокий КПД, чем агрегаты, работающие на топливе и электрической дуге. Индукционные печи средней частоты (ИПСЧ) расходуют 1500-1700 кВтч на тонну выплавляемого чугуна. По этому показателю они приближаются к вагранкам с холодным и горячим дутьём, которые потребляют 1250-1700 кВтч/т.

Авторы [110], являющиеся лидерами отечественного производства ин дукционных печей для литейного производства, приводят сравнительные дан ные технико-экономических показателей получения 1 т жидкого чугуна в раз личных плавильных агрегатах (таблица 1.4) и называют следующие преимуще ства ИПСЧ: высокий КПД садочный режим плавки, позволяющий исключить предварительную сушку шихты, сократить расходы на футеровку и исключить затраты труда, электроэнергии и материалов во время перерывов в работе ли тейного производства;

высокая производительность (циклы плавки 40-45 ми нут).

Таблица 1. Сравнение технико-экономических показателей различных плавильных агрегатов Тип плавильного Относительная стоимость расход электроэнергии, агрегата 1 т жидкого чугуна кВтч/т Газовая Вагранка (ГВ) 1,0 50- Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) 2,0 600- Дуговая печь постоянного тока 1,8 475- (ДППТ) Индукционная печь промышленной 2,0 1200- частоты (ИППЧ) Индукционная печь средней частоты 1,4 500- (ИПСЧ) В то же время они отмечают, что при изготовлении отливок из высоко прочного чугуна, когда необходимо точно управлять химическим составом по многим основным и примесным элементам, поскольку в ИПСЧ плавка ведётся с так называемым "холодным" шлаком, практически не участвующим в хими ческих реакциях, то управление химическим составом расплава производится использованием чистой по вредным примесям шихты и точным добавлением легирующих материалов.

В качестве одного из наиболее перспективных преимуществ индукцион ных печей предлагается технология фокусирования мощности в индукторе, или управления передачей среднечастотной энергии в ванну расплава металла [110]. На рисунке 1.4 показаны различные режимы фокусирования мощности.

Рисунок 1.4. Современные возможности управления режимами ввода электро магнитной энергии в расплав при индукционной плавке [110] Режим фокусирования мощности в верхней части тигля (рисунок 1.4а) рекомендуют для повышения активности рафинирующего взаимодействия рас плава со шлаком, а также для повышения степени и скорости усвоения легиру ющих элементов из ферросплавов, вводимых в конце плавки. Режим, схемати чески изображённый на рисунке 1.4б, рекомендуют для повышения активности перемешивания расплава в верхней и нижней части печи для гомогенизации его структуры. Режим фокусирования мощности у основания индуктора, представ ленный на рисунке 1.4в, рекомендуют для ускорения появления жидкой фазы металла на начальной стадии процесса плавки и ускорения таким образом всего процесса плавки.

Кроме рассмотренных режимов предлагается также двухчастотный ре жим плавки. Идея этого режима состоит в том, что на стадии расплавления процесс более эффективен при вводе в шихту электромагнитной энергии на по вышенных частотах, а на стадии выдержки и доводки расплава до необходимо го состава, когда требуется активное перемешивание по всему объёму ванны расплава металла, ввод энергии осуществляется на пониженных частотах пита ющего тока.

Однако последние рассмотренные преимущества индукционной плавки недостаточно исследованы, носят теоретический дискуссионный характер, не имеются у большинства существующих в практике литейного производства плавильных агрегатов и поэтому могут рассматриваться лишь как перспектив ные, но не подтверждённые практическими данными.

Опыт литейной практики приготовления чугунных расплавов отечествен ными предприятиями показывает [4, 48, 199-202 и др.], что расплавы в зависи мости от технологических особенностей производства, а именно: марки чугуна, металлоёмкости ковшей и форм, удалённости участка заливки от плавильного отделения и номенклатуры отливок перегревают, как правило, до температур порядка 1400…1500 °C, иногда – до 1600°С и выдерживаются при этих темпе ратурах порядка 5…30 минут. В случае организационного простоя расплавы, как правило, готовят при пониженной мощности, а в случае простоя, возникше го при их готовности, охлаждают при выключенной мощности печи до темпе ратур порядка 1250…1300°C и далее поддерживают при этой температуре до устранения организационных проблем, причём время выдержки может дости гать 10 часов и более.

Известно достаточно большое количество методов обработки расплавов для их рафинирования и гомогенизации [4, 25, 74, 81, 88, 107 и др.]: химические (обработка синтетическими шлаками), механические (перемешивание, филь трация, продувка газами, обработка вибрацией и ультразвуком), тепловые, ба рометрические (вакуумирование), электромагнитные (обработка электрическим током и электромагнитными полями), в том числе - активно исследуемые в по следнее время высокоэнергетические и импульсные [205, 239, 243 и др.]. Одна ко большинство известных методов либо энерго-организационно затратны, ли бо требуют специального дополнительного оборудования при слабой изученно сти и проверке на практике.

Наиболее изученным является тепловой метод гомогенизации высокотем пературной обработкой расплава (ВТОР), разрабатываемый Екатеринбургской научной школой на протяжении нескольких десятков лет. Наиболее существен ные практические результаты достигнуты при обработке высоколегированных и аморфных сталей и сплавов [14, 16, 18, 23, 79, 92, 232, 240 и др.], информации об успешном практическом применении технологий ВТОР чугунных расплавов в литературе кроме [48] практически нигде не встречается.

Наиболее простым и достаточно эффективным способом гомогенизации железо-углеродистых расплавов является организация его кипения с образова нием пузырьков СО2, который традиционно применяют при приготовлении стальных расплавов. Для чугунных расплавов эта технология не применяется из-за трудности организации процесса кипения, связанного с высокими концен трациями в них кремния и, соответственно, низким содержанием кислорода, не достаточным для интенсивного окисления углерода [107]. Имеется единичная информация о попытках организовать кипение {СО2} в чугунных расплавах с помощью железной окалины [79]. Таким образом, гомогенизирующая обработ ка чугунных расплавов в отечественном литейном производстве практически не применяется.

В технической и рекламной информации встречаются рекомендации по материалам для рафинирующей обработки чугунов (например, [91]). Практиче ски все они направлены на удаление из чугунного расплава серы, являющейся наиболее часто встречающейся и наиболее изученной вредной примесью. Не которые составы рафинирующих модификаторов представлены в таблице 1.5.

Таблица 1. Химический состав и марки рафинирующих модификаторов [91] Марка Массовая доля, % Са РЗМ Mg Si Al Fe 2,7…3,3 0,8…1,2 6,5…7,4 45…48 ост.

FeSiMg 317 2, 8,5…9,5 0,8…1,2 45…48 ост.

FeSiMg 910 - 1, 4,6…5,4 6,6…7,4 45…48 ост.

FeSiMg 750 - 1, 4,6…5,4 6,6…7,4 2,8…3,2 45…48 ост.

FeSiMg 753 1, FeSiСа 15Mg6 5,5…6,5 14,0…16,0 45…55 ост.

- 2, 5,6…6,4 14,0…16,0 3,7…4,3 40…50 ост.

FeSiCa15Mg6R4 2, В ушедшем столетии в практику литейного производства прочно вошла операция модифицирования расплавов перед их заливкой в форму [52]. Особо активно, начиная примерно с 50-х годов, в этот процесс стали вовлекаться де сятки ранее не применявшихся в литейном производстве элементов, в том чис ле щелочно- и редкоземельных. Выявлено как положительное, так и отрица тельное влияние отдельных малых и микроскопических добавок на свойства различных сплавов, прочно установилось понимание значимости, а иногда и определяющей роли не только основного химического состава расплава, но и его чистоты (микросостава) в формировании служебных свойств металлоизде лия, особенно для экстремальных условий эксплуатации. При этом под микро составом чугуна понимают не только содержание в нем серы и фосфора, но и ряда других элементов-примесей, случайно или преднамеренно введённых в расплав, а также состав и морфологию образованных ими химических ассоциа ций (неметаллических включений и других «вторичных» фаз) [52].

К настоящему времени накоплен большой опыт теории и практики микро легирования и модифицирования железоуглеродистых расплавов как отдель ными элементами, так и комплексными лигатурами [4, 34, 63-66, 155, 166, 175, 176, 188, 213, 241 и др.]. При этом составы лигатур подбираются таким обра зом, что микролегирующее и модифицирующее влияния входящих в них эле ментов взаимно усиливаются [65]. Сегодня существует свыше 500 типов моди фикаторов, содержащих от 2…3 компонентов до полутора десятков. С учётом запатентованных составов их количество переваливает за 1000 [64, 65, 263].


Дополнительную трудность в нашей стране создают «виртуальные патенты», оформляемые, по всей видимости, без достаточной проверки изложенной в них информации [166]. Разобраться в этом калейдоскопе модификаторов и их свой ствах довольно сложно.

К традиционным модификаторам железоуглеродистых расплавов (сталей и чугунов), относятся графит, ферросплавы различного типа (феррохром, ферро ванадий, ферромарганец), сплавы, основным компонентом которых является кремний (ферросилиций, силикокальций, силикокобарий), и другие виды [47, 49, 211, 250, 263]. Такие материалы производятся, как правило, известными ферросплавными заводами (Челябинским, Ключевским, Кузнецким и другими) по ГОСТам и ТУ, разработанным ещё до «перестройки».

В последнее время активно разрабатываются и применяются комплексные присадки и лигатуры, в состав которых одновременно входит значительное ко личество функционально различных элементов. Фактически такие комплексные присадки являются самостоятельными сложнолегированными сплавами. Для них характерна собственная особая технология производства. Как правило, они разрабатываются под конкретный тип сплава или группу сплавов, требуют раз работки специфической технологии ввода в расплав, предъявляют повышенные требования к чистоте сплава и достаточно дороги. Кроме этого, в ряде случаев состав комплексных присадок не раскрывается, что связано либо с требования ми зарубежных лицензионных соглашений, либо с собственными «ноу-хау».

Наиболее крупными производителями модификаторов для изготовления чугун ных отливок являются предприятия Челябинска: Компания «НПП Технология», Челябинский электро-металлургический комбинат и Научно-исследовательский институт металлургии, а также Кузнецкие ферросплавы (г. Новокузнецк).

Рассмотрим основные типы современных модификаторов, применяемых в литейном производстве.

Для графитизирующего модифицирования самым простым традиционным модификатором является графит. При вводе в чугунный расплав его структур ные элементы служат самостоятельными центрами кристаллизации графита.

Применяется в качестве компонента модифицирующих смесей, реже как само стоятельный модификатор. Марка – графит чёрный ГЛС-1, ГЛС-2, ГЛС-3 [49].

Ферросилиций – традиционный, наиболее широко применяемый графити зирующий модификатор на основе кремния, в том числе с содержанием допол нительных активных элементов щелочно-земельных и редко-земельных метал лов (ЩЗМ и РЗМ). Механизмы графитизирующего модифицирования этих мо дификаторов достаточно подробно изучены и описаны в литературе (например, [107]). В таблицах 1.6, 1.7. представлены химические составы различных марок ферросилиция на примере производства ООО «НПП Технология» (г. Челя бинск) в разные годы [90, 91].

Таблица 1. Химический состав и марки ферросилиция [91] Марка Массовая доля, % Ва Са РЗМ Si Al Sr Mn Cr Fe ФС 75 ост 74…80 - - - - - 0,4 0, ФС65Ба7 60…70 ост 7,0 3,0 - - - 0,4 ФC75 CтК 72…80 ост - 0,5 1,5 1,0 - - ФC30РЗМ20 30…35 20…30 ост - 6,0 - - - Примечание: Содержание S0.02% и Р 0.05% Базовым составом является состав ФС75. Для усиления модифицирующего действия в состав ферросилиция, как правило, дополнительно входят раскис лители и десульфураторы – барий, алюминий и кальций, образующие при вза имодействии с элементами расплава фазы неметаллических включений, кото рые могут являться центрами кристаллизации графита [220].

Таблица 1. Химический состав и марки инокулянтов, предназначенных для модифицирования серого и высокопрочного чугуна [90] Марки Массовая доля, % РЗМ Si Mn Zr Ba Ti Ca Al Fe 2,0-3,0 1,5-2,5 ост.

FeSi60MCR* 60-65 1,5 -2 - - - 1,0-1,5 1,0-1,5 ост.

FeSi75Ba4 72-78 - - 1,5-2,0 3,0-5,0 ФС65Ба4-Б ост.

65-70 - 0,4 - 3,5-5,0 - 1,5 1, 0,5-1,5 1,5-2,0 ост.

FeSi65MnA 65-70 - 3,0-4,0 - - 1,5-3,0 1,0-1,5 ост.

FeSi50Mn10Ba3 50-60 - 10-12 - 3,0-4,0 10-12 0,8-1,2 0,8-1,2 ост.

Tialloy 50-55 - - - ост.

FeSi60RMZ 55-60 1,8 -2,2 2,5-3,5 2,5-3,5 - - 1,0-1,5 1, ост.

Zircalloy 70-75 - - 1,0-2,0 - - 2,0-2,5 2, ост.

FeSi60CMZ* 60 -65 - 3,0-4,0 3,0-4,0 1,0-1,5 - 10 -11 ост.

Z-GRAPH 58 -65 - 6,0-7,0 6,0-7,0 2,5-3,0 - 1,0-1,5 1, *Модификатор дополнительно содержит 1,5…2,0 % магния.

РЗМ и стронций также являются сильными раскислителями, десульфура торами и связывают в прочные высокотемпературные интерметаллидные со единения вредные примесные металлы и газы. Поскольку эти элементы обра зуют дополнительные фазы, которые могут являться центрами кристаллизации графита, их вводят в состав графитизирующего модификатора вместо кальция и бария для усиления эффекта модифицирования.

Смесевые графитизирующие модификаторы для серых чугунов – наиболее простые графитизирующие модификаторы, которые состоят, как правило, из модификаторов на основе ферросилиция, графита, карбида кремния, кремния и других компонентов (например, таблица 1.8 [91]).

В графитизирующие модификаторы для высокопрочных чугунов к основ ным компонентам добавляют магний, способствующий кристаллизации графи та в шаровидной и вермикулярной форме.

Таблица 1. Состав смесевых модификаторов [91] Массовая доля, % Марка Si (суммарно) С (графит) Са SiC Fe ФС 30У60 20…40 55…65 ост - 3. ФС 50У35 45…55 30…40 30…40 ост 6, Для сфероидизирующей обработки чугунных расплавов в настоящее время применяются, в-основном, ферросплавы на основе ферросилиция с содержани ем в качестве основного элемента магния от 4% до 10%, а также дополнительно содержащие ЩЗМ и РЗМ, относящиеся к классу лёгких лигатур (имеющих плотность примерно в 2 раза меньше плотности чугунного расплава). В таблице 1.9 приведены примеры химических составов и марок таких модификаторов.

Таблица 1. Химический состав и марки модификаторов, предназначенные для сфероидизирующей обработки чугуна [91] Массовая доля, % Марки РЗМ Mg Ca Ba Si Al Fe до 1,5 ост.

FeSiMg500 4,7-5,3 0,2-0,5 0,1-0,5 0,1-0,5 45- до 1,5 ост.

FeSiMg521Ba2 4,7-5,3 1,5-2,0 0,5-0,8 1,8-2,2 45- до 1,2 ост.

FeSiMg910Ba4 8,5-9,5 0,8-1,2 - 3,7-4,3 45- до 1,5 ост.

FeSiMg923 8,5-9,5 1,5-2,0 2,8-3,2 - 45- В последние годы активно начинают применяться смесевые модификаторы в виде порошковой проволоки, применяемой для ковшовой обработки чугунно го расплава (таблица 1.10).

В незначительных количествах продолжают применяться чушковый или гранулированный магний, а также тяжёлые (обладающие плотностью, равной и выше плотности чугунного расплава) сфероидизирующие лигатуры на никеле вой основе: например, имеющие следующий химический состав (в % по массе):

Mg = 14,0…17,0;

Ce = 0,4…0,6;

Cu = 0,4;

С = 0,5;

Fe = 1,0;

Ni – остальное и ли гатуры на железо-никелевой основе, например, имеющие следующий химиче ский состав (в % по массе): Mg = 4,0…6,0;

Ce = 0,8…1,2;

С = 1,8…2,2;

Ni = 43,0…47;

Fe – остальное.

Таблица 1. Химический состав и марки смесевых модификаторов, предназначенных для ковшевой проволочной обработки чугуна [91] Массовая доля, % Марки РЗМ Mg Ca Ba Si Fe ост.

Simag 10 9,0-11,0 0,5-1,0 0,5-1,0 2,0-4,0 55- ост.

Simag 20 19,0-21,0 0,5-1,0 0,5-1,0 2,0-4,0 50- ост.

Simag 30 28,0-32,0 0,5-1,0 0,5-1,0 2,0-4,0 40- Для увеличения прочностных свойств, уменьшения доли или полного по давления кристаллизации феррита, уменьшения ликвационных и усадочных яв лений в чугунных отливках применяют в качестве модификаторов различные ферросплавы, такие как феррохром, ферросиликохром, ферромарганец, ферро фосфор, ферробор, ферровольфрам, ферромолибден, феррониобий, феррована дий, ферротитан, ферроцерий и другие. Активно проводятся исследования по использованию нанопорошков (~100 нм), например, Al2O3, SiC, BN, получен ных методом плазмохимического взрыва, для измельчения зерна в чугуне и ро ста механических свойств [99] или фуллерен-содержащих материалов [66].

Выполненный обзор показывает, что в настоящее время в качестве моди фикаторов высокопрочного чугуна разработаны и активно применяются ком плексные присадки и лигатуры, в состав которых одновременно входит значи тельное количество функционально различных элементов: Mg, щелочноземель ные (Ca, Ba, Sr), редкоземельные (Y и лантоноиды – La, Ce и др), карбидо- и нитридообразующие (Ti, Zr, V, Nb, В), а также легирующие (С, Si, Ni, Cr, Mn, Cu, Mo) элементы. Данные элементы модифицирование дополняют легирова нием, микролегированием, десульфурацией, раскислением. Фактически ком плексные присадки являются самостоятельными сложнолегированными спла вами, а, как известно, физико-химические и потребительские свойства сложно легированных сплавов при одном химическом составе могут меняться в широ ких пределах в зависимости от их строения, то есть количественных и морфо логических характеристик фазового состава.

Длительная практика применения модифицирования чугунов говорит о том, что эффективность этой операции при большом потенциале не всегда реа лизуется в полном объёме. Так, при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ50 в одинаковых производственных условиях (в том числе – одних шихтовых и вспомогательных материалах, од ной технологии приготовления, обработки и разливки расплава), но при ис пользовании разных партий модифицирующих лигатур одной и той же марки можно получать прочность литого чугуна с разницей более 40 % ( В от 500 до 700 и более МПа) [157]. При изготовлении отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧШГ40 в одинаковых производственных условиях размах колебаний значений предела прочности достигает более 50% ( В от МПа до 700 МПа), а относительного удлинения – более 100% ( от 2% до 14% от среднего значения для одних условий производства и от 4 до 20% для дру гих условий производства) [242].

Поэтому в последнее время в технической периодической печати появился ряд публикаций, посвящённых проблеме нестабильности и низкой эффектив ности работы модификаторов [69]. В результате сформировались и требуют решения научная проблема создания единой теории модифицирования железо углеродистых сплавов и техническая проблема выбора нужного типа и пара метров и уровня качества модификатора для стабильной заводской технологии получения чугунных отливок, в частности – из высокопрочного чугуна.

1.1.4. Явление структурной наследственности в чугунных отливках Явление наследственности впервые обнаружено и в настоящее время наиболее изучено в живой природе. Поэтому представляет интерес обзор ин формации по явлению наследственности из этой области естествознания. В 1859 году Ч. Дарвин в труде «Происхождение видов путём естественного отбо ра» [67], в частности, рассмотрел явление изменчивой и неизменчивой наслед ственности и определил наследственность как присущее всем живым суще ствам свойство быть похожим на своих родителей. Из биологии известно, что развитие фенотипа организма (совокупности характеристик, присущих орга низму на определённой стадии развития) определяется взаимодействием гено типа (совокупности структурных и функциональных единиц наследственности организмов) и фенотипа с условиями внешней среды, при этом изменяются признаки организма. Одни признаки очень пластичны и изменчивы, другие ме нее изменчивы, а третьи изменяются совсем незначительно. Форма изменчиво сти, не связанная с изменением генотипа, называется модификационной (по Дарвину [67] - ненаследственной, или групповой). При этом наследуется не признак как таковой, а способность организма (его генотипа) в результате вза имодействия с условиями среды давать определённый фенотип, иначе - насле дуется норма реакции организма на внешние воздействия.

Модификационная изменчивость отражает изменения фенотипа, не затра гивая генотипа. Противоположной ей является другая форма изменчивости – генотипическая, или мутационная (по Дарвину [67] - наследственная, неопре делённая, индивидуальная), меняющая генотип. Отдельные изменения генотипа называются мутациями. Мутации – возникающие естественно или вызываемые искусственно изменения наследственных свойств организма в результате изме нений его генетического материала. Большинство мутаций рецессивны, то есть возвращаются в исходное состояние, а при сохранении внешних условий оби тания количества возникающих и рецессирующих мутаций находятся в равно весии. В большинстве случаев истинные причины мутаций остаются неизвест ными.

Первое понятие наследственности в чугунах, по всей видимости. было сформулировано Н. Бутеневым в 1835 году [127]: «Каждый учёный трудится в своём месте, делает испытания над продуктами местными и нередко, если опы ты его не сходятся с исследованиями других, почитает последние ошибочными, и через это и сам впадает в погрешность. Причина сему то, что не с надлежа щей точки смотрят на дело: частное делают общим;

свойства одного чугуна, известным способом выплавленного, распространяют на другие, полученные при других обстоятельствах». Постепенно накапливалась специалистами раз личных специальностей практическая информация о наследственности в спла вах, наиболее полный обзор и анализ которой выполнен в работе [126]. В соот ветствии с имеющимися у практиков средствами анализа эта была информация о сохранении и передаче от исходной шихты до конечного изделия элементов структуры материалов. Установленные закономерности дали возможность ав торам сформулировать основные закономерности и охарактеризовать явление структурной наследственности (ЯСН) как природное свойство сплавов, обеспе чивающее материальную взаимосвязь между структурными признаками в си стеме “шихта – расплав – литое изделие". Схема передачи структурной наслед ственности по Никитину В.И. представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Схема передачи структурной наследственности по Никити ну В. И. [126, 127] Проведя совместный анализ информации по явлению наследственности в живой природе и по структурной наследственности сплавов можно сформули ровать некоторые общие представления о наследственности сплавов (рисунок 1.6):

Основные шихтовые мате риалы, Микролегирующие Модификаторы добавки --------------------------------- в том числе ферросплавы I Получение расплава Атмосфера Шлаки Футеровка печи Обработка расплава, в том числе:

рафинирование, раскисление, контроль качества, модифицирование Атмосфера Футеровка ковша Заливка и кристалли Материалы формы зация II Охлаждение, лабораторный анализ качества, III обработка и эксплуатация литого изделия Рисунок 1.6. Схема закладки (I), трансформации (II), передачи и проявления (III) наследственности в системе “шихта – расплав – литое изделие" Генная инженерия в живой природе и приготовление сплавов в литей 1.

ном производстве аналоги одного явления природы.

ЯСН сплавов есть одно из проявлений наследственности сплавов в 2.

способности сохранять элементы структуры сплава: при старении, при различ ных воздействиях на сплав, в том числе – расплавлении и перегреве расплава, при синтезе из него нового сплава, Наследственные признаки сплава, определяющие его суть и способ 3.

ность реагировать на различные воздействия, формируются из всех материалов, участвующих в его синтезе (сплавлении, переплаве, осаждении).

Формирование наследственных признаков сплава начинается, в об 4.

щем, из бесконечной предыстории каждого его образующего материала.

Финальным этапом синтеза сплава (генной инженерии) является оцен 5.

ка результатов синтеза и отбор по полученным признакам (свойствам).

Технологический процесс изготовления сплава, таким образом, есть дей ство генной инженерии (синтез сплава). Оно заключается в трансформации наследственных структур (перестроению структурных элементов и преобразо ванию связей между ними) и связанной с этим трансформации наследственных признаков (отрицании, сложении и сочетании) всех участвующих в этом про цессе отдельных материалов. То есть синтез сплавов есть искусство сохране ния, усиления и передачи необходимой для каждого частного случая положи тельной и уменьшения вплоть до ликвидации отрицательной наследственности, проявляющейся в конкретных свойствах получаемого сплава.

Синтез сплава начинается с выявления наследственных признаков, «отра жениями» которых можно в определённом допущении считать параметры ма териалов, регламентируемые техническими условиями и уточнённые сертифи катами. Именно этим определяется значимость корректности и полноты техни ческих условий, а также достоверности сертификатов на материалы. Важными этапами формирования наследственных признаков сплава являются разработка и реализация технологии приготовления сплава от начала – выбора и подготов ки материалов и до конца – окончания его кристаллизации. Цели последующих обработок сплавов, включая охлаждение сплава непосредственно после кри сталлизации, – получение определённых реакций материала (сплава), состав ляющих потребительские свойства продукта.

Особое внимание должно уделяться этапу оценки (доказательству) резуль татов синтеза сплава и отбору (сортировке) по полученным свойствам.

Таким образом, практическое значение понимания явления наследственно сти сплавов – возможность осознанного управляемого получения потребитель ских свойств конечных продуктов из сплавов путём их синтеза и определённой последующей обработки.

В живой природе под генами понимают определённые наследственные структуры, которые в совокупности образуют генотип особи, определяющий её фенотип (набор характеристических свойств: форма, цвет, размер и т.п.). Тогда, по аналогии, генотипом отливки является вся структура, а генами – наиболее устойчивые элементы её структуры.

Структуру сплавов, в том числе чугунов, рассматривают как сложную си стему, состоящую из иерархии подсистем и уровней [73]. Каждый элемент верхнего уровня включает в себя множество элементов смежного нижнего уровня. Элементы смежных уровней отличаются по природе, механизмам фор мирования и размерам (на 2-3 порядка). Принятое на сегодняшний день распре деление структуры сплава по уровням показано в таблице 1.11 [73]. Основными структурными элементами макроструктуры являются зерна первичной кри сталлизации, а также литейные дефекты (усадочные и газовые раковины, тре щины). Размерность элементов – 10-1… 510-3 м. Средствами воздействия на макроструктуру служат организация питания отливки, регулирование скорости охлаждения металла, модифицирование, горячая обработка давлением. Основ ными элементами микроструктуры являются зерна вторичной кристаллизации.

Размерность элементов 510-3…10-5 м. Основные средства воздействия на мик роструктуру – модифицирование и термообработка. В сплавах, не имеющих ал лотропных превращений, макро- и микроструктура объединяются в один уро вень. Основными элементами субструктуры являются блоки, разграничиваемые скоплениями дислокаций, мелкие выделения, возникающие в процессе термо обработки. Неметаллические включения лежат в граничной области микро- и субструктуры. Размерность элементов 10-5…10-8 м., метод изучения – электрон ная и Оже-спектроскопия. Средства воздействия: легирование, модифицирова ние, термообработка, обработка давлением. В мезоструктуру (в современной терминологии – наноструктуру) входят: атомно-кристаллические ячейки и от дельные фрагменты атомно-кристаллической решётки, дислокации в твёрдом теле и кластеры в расплавах. Размерность этих элементов 10-8…10-10 м, метод исследования - микрозондовая сканирующая микроскопия. Меры воздействия – модифицирование, легирование, интенсивные термообработка и обработка дав лением.

Таблица 1.11.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.