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:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждения высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ...»

-- [ Страница 5 ] --

Исследовали процессы структурообразования чугунов ЧН16Д7ГХ типа «НИРЕЗИСТ», приготовленных из образцов отливки «Аппарат направляющий»

производства ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск), предназначенных для изготов ления рабочих органов погружных насосов (рисунок 5.14).

Рисунок 5.14. Отливки Колеса рабочего и Аппарата направляющего Химический состав исследуемых образцов представлен в таблице 5.5, микроструктура – на рисунке 5.15.

Таблица 5. Химический состав чугуна, масс. %:

C Si Ni Cu Mn Cr S P 2,96 1,83 14,8 6,8 1,6 2,1 0,038 0, а) б) Рисунок 5.15. Микроструктура чугуна отливки Аппарата направляющего 100:

а) не травлено, б) травлено Поведение характеристик вязкости расплавов при изотермической вы держке 1270°C и 1300°C представлены на рисунке 5.16.

Логарифмический декремент 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1800 3600 5400 7200 9000 10800 t, сек а) n*107, м2/сек 0 2000 4000 6000 t, сек б) Рисунок 5.16. Изотермическое поведение вязкости промышленного НИРЕЗИ СТа ЧН16Д7ГХ: а) логарифмический декремент затухания при Т =1270°С, б) кинематическая вязкость при Т = 1300°С Изотермическая выдержка при 1270°C в течение ~ 3 часов сопровождается двумя провалами на графике, которые, вероятно, вызваны несистемными структурными превращениями в расплаве, такими как доплавление, всплыва ние неметаллических включений, пузырей и пор, и связанными со структурны ми особенностями конкретного образца. Такой вывод можно сделать, сравнивая графики зависимостей при близких температурах 1270°C и 1300°С. На времен ной зависимости изотермической вязкости при 1300°С подобных провалов не обнаружено. Без учёта провалов изотермическая вязкость при 1270°C имеет ос циллирующий характер с большим периодом колебаний порядка 1 часа и по степенным уменьшением разброса вязкости до значений, соизмеримых с экспе риментальной погрешностью в конце выдержки.

Среднее значение кинематической вязкости расплава при температуре 1300°C монотонно экспоненциально уменьшается примерно на 40% в течение ~ 2,2 часа. Разброс значений вязкости также постепенно уменьшается, но к концу эксперимента остаётся достаточно большим, то есть такой термической обра ботки не достаточно для достижения расплавом структурной стабильности.

Чтобы объективно обсуждать выявленные закономерности структурооб разования и строить гипотезы механизмов и процессов структурных перестроек их надо проверять и воспроизводить. Тем не менее, полученные результаты свидетельствуют о том, что при температурах ~1300°C в обычных условиях ли тейного производства промышленные расплавы НИРЕЗИСТа не приходят в стабильное состояние. Поэтому для короткой термической обработки расплава необходимы более высокие температуры, даже если для достижения положи тельного эффекта достаточно лишь стабилизировать структуру расплава, «не выжимая гистерезис», то есть, его принципиально не перестраивая. В связи с этим продолжили исследования временных зависимостей при более высоких температурах.

Политермы кинематической вязкости расплава при нагреве до температу ры 1750°C и последующем охлаждении представлены на рисунке 5.17. Анализ политерм вязкости показывает, что в расплаве при нагреве происходят сложные процессы структурообразования, которые вызывают немонотонность политер мы нагрева, в то время как при перегреве расплава выше температуры 1600°С, что практически очень редко встречается в обычных условиях литейного про изводства, расплав перестраивается таким образом, что при последующем охлаждении он структурно практически не меняется.

n*107, м2/с 1200 1300 1400 1500 1600 1700 t, 0С Рисунок 5.17. Политермы нагрева и охлаждения кинематической вязкости рас плава промышленного НИРЕЗИСТа ЧН16Д7ГХ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ Политермы вязкости расплавов как промышленных чугунов, так и модель ных синтетических чугунов весьма разнообразны. Разнообразие политерм свя зано, по всей видимости, как со сложностью элементного макро и микро соста ва промышленных чугунов, так и многообразием форм внешней и внутренней кооперации структурных элементов чугуна в расплавленном состоянии.

Термическая обработка расплавов чугунов, полученных из образцов отно сительно однородного и чистого материала, такого, как, например, тело отлив ки, в виде перегрева выше критических температур приводит к однозначному повышению микрооднородности и стабильности их структурного состояния.

Повышение микрооднородности подтверждается монотонностью повышения вязкости при последующем охлаждении, а повышение стабильности характери зуется уменьшением разброса её значений. Критические температуры для чугу нов с шаровидным графитом и высоколегированных чугунов типа НИРЕЗИСТ составляют ~ 1650°C, для чугунов с пластинчатым и вермикулярным графитом – 1350…1450°С.

Синтетические чугунные расплавы, имеющие одинаковый состав, но раз ное строение, связанное только с различным модифицированием, при соответ ствующей технологической обработке могут быть приведены в одинаковое и стабильное структурное состояние. То есть наследственная связь жидкого и твёрдого чугуна, обусловленная модифицированием, может быть полностью разрушена, а технология получения чугунной отливки по этой составляющей – стабилизирована.

Однозначности по качественным и количественным характеристикам по литерм вязкости расплавов, приготовленных с использованием образцов за грязнённого и неоднородного материала, такого, как, например, прибыльные части отливок, не подтверждается. Поэтому прогнозировать поведение распла вов в термовременных условиях литейного производства, например, ЧВГ, при готовленных из различных по происхождению шихтовых материалов без ис следований, аналогичных проведённым в работе, практически невозможно.

Получение стабильных расплавов с применением в шихте материалов, со держащих в значительных количествах графит шаровидной и вермикулярной формы, неконтролируемые неметаллические включения, карбиды хрома и т.п. в термовременных условиях литейного производства даже с помощью высоко температурной термической обработки без специальных технологических ра финирующих и гомогенизирующих операций также практически невозможно.

Отсутствие таких операций при постоянном вовлечении в процесс изготовле ния отливок из высокопрочных чугунов даже ответственного и особо ответ ственного назначения шихтовых материалов разного происхождения и условно контролируемого качества является одной из главных причин роста дефектов строения этих отливок. Таким образом, для устранения названой причины тре буются промышленно применимые технологии рафинирования и гомогениза ции чугунных расплавов.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА СТАБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА 6.1. РАЗРАБОТКА МОДИФИКАТОРОВ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 6.1.1. Разработка сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов на Fe-Si основе и технологий их применения при изготовлении отливок машиностроения из высокопрочных чугунов с ферритной и феррито перлитной матрицей В последние годы широкое применение получили сфероидизирующие и графитизирующие модификаторы высокопрочных чугунов, представляющие собой сложные по составу лигатуры на железо-кремниевой основе, содержащие в различном количестве и сочетании магний, ЩЗМ, РЗМ и др. При модифици ровании ими система железоуглеродистый расплав - модификатор переводится в неустойчивое неравновесное состояние. Особенностью модифицирования яв ляется затухание модифицирующего эффекта и стремление системы вернуться в исходное до ввода модификатора состояние. Например, при добавке в чугун магния, кальция и бария в количестве 0,5 % каждого из этих металлов, после выдержки расплава в нём обнаруживаются лишь их следы. Это обусловлено интенсивным взаимодействием очень активных металлов с примесями чугуна, их испарением и окислением. Удалению магния и ЩЗМ способствуют также положительные отклонения систем Me-Fe от идеальных растворов, увеличива ющиеся от магния к барию [212].

Другая особенность модифицирования заключается в том, что концентра ция элемента-модификатора должна находиться в определённых достаточно узких пределах. Недостаточное его содержание не обеспечивает требуемого изменения структуры и свойств металла и, наоборот, избыточное содержание приводит к резкому ухудшению структуры и свойств металла, т.е. существуют понятия недомодифицирования и перемодифицирования.

Существует, по крайней мере, три механизма воздействия модификатора на металл. Согласно одному из них при модифицировании увеличивается коли чество в расплаве тугоплавких инородных включений, которые могут быть центрами кристаллизации металла. Если эти включения находятся в физиче ском, химическом и структурном соответствии с основным металлом, они ока зывают инокулирующее (прививочное) действие. Например, инокулирующая способность различных соединений увеличивается в ряду: оксиды, сульфиды, бориды, нитриды, карбиды и интерметаллиды.

Другой механизм модифицирования связан с адсорбцией элемента модификатора на поверхности раздела кристалл – расплав, вследствие чего происходит замедление скорости роста кристаллов. Это так называемый ад сорбционный механизм модифицирования, обусловленный высокой поверх ностной активностью модификатора.

Согласно третьему механизму модифицирование связывают с предельной растворимостью модификатора в железе. При этом чем меньше растворимость элемента в железе, тем при меньшей концентрации может проявиться его мо дифицирующий эффект. Растворимость магния и кальция в жидком железе при температуре 1600 С составляет соответственно 0,05 и 0,03 %, стронция и бария – десятитысячные доли процента. В такой же последовательности увеличивает ся поверхностное натяжение ж-г железоуглеродистых расплавов после введе ния магния (1665), кальция (1730) и бария (1800 мДж/м2). Если количество вво димого в расплав элемента больше необходимого для связывания кислорода, серы и других примесей, то элемент проявляет модифицирующее действие.

Химически активные элементы модификаторов, кроме циркония, имеют низкую температуру плавления (таблица 6.1). Кроме бария ЩЗМ имеют темпе ратуру кипения ниже обычных температур расплавов чугуна. Наряду с этим, растворимость этих металлов в жидком железе крайне мала. Плотность всех ЩЗМ значительно меньше, чем плотность железа. Плотность церия и других РЗМ цериевой группы близка к плотности железа. Ввод активных элементов за труднён из-за низких значений плотности (Al, ЩЗМ), растворимости в метал лическом расплаве (ЩЗМ) и упругости пара (Mg, Ca, Sr).

Таблица 6. Свойства некоторых химически активных элементов Элемент Плот- Атом- Тпл., С Ткип., С Растворимость в ность, ная мас- жидком железе при г/см3 са 1600 С, масс. % Магний 1,74 24 650 1100 0, Кальций 1,54 40 850 1480 0, Стронций 2,63 88 770 1380 0, Барий 3,76 137 730 1640 0, Церий Неограниченна 6,17 140 800 Цирконий Неограниченна 6,45 91 1860 Алюминий Неограниченна 2,7 27 660 Снижение давления пара кальция или другого легкоиспаряющегося эле мента, например стронция, может быть достигнуто путём сплавления этих эле ментов с другим компонентом, упругость пара которого относительно низка. О степени влияния различных компонентов на снижение парообразования подза щитного элемента можно судить в первом приближении по диаграммам состо яния.

Сплавы в системе Са – Ва образуют непрерывный ряд растворов в жидком и твёрдом состояниях. Растворяя кальций, барий уменьшает его испарение и тем самым повышает эффективность воздействия его на металл.

Более эффективна защита кальция кремнием и алюминием. В системах Ca – Si и Ca – Al кальций с кремнием и алюминием образуют термодинамически устойчивые соединения CaSi и CaAl2, плавящиеся конгруэнтно. О достаточной прочности связей между кальцием и кремнием, или алюминием свидетель ствуют значительные теплоты образования CaSi и CaAl2, которые составляют соответственно 150 и 216 кДж/моль.

Ещё в большей степени, чем кальций, нуждаются в защите от испарения магний и стронций, поскольку температуры их кипения составляют соответ ственно 1100 и 1380 С (табл. 5). Для магния эту роль выполняет только крем ний: в системе Mg – Si образуется соединение MgSi2, плавящееся конгруэнтно.

Стронций могут защитить как кремний, так и алюминий. В системе Sr – Si имеются два соединения SrSi и SrSi2, в системе Sr – Al одно – SrAl4. Все соеди нения плавятся конгруэнтно и, следовательно, эти комплексы устойчивы даже в жидком состоянии. В реальных условиях на испарение магния и ЩЗМ негатив ное влияние оказывает железо из-за значительных положительных отклонений в системе Mg –Fe и ЩЗМ–Fe от идеальных растворов. С увеличением атомной массы элемента теплота взаимодействия (степень отклонения) увеличивается и составляет для систем Mg – Fe, Ca – Fe, Sr – Fe и Ba – Fe соответственно 70, 100, 180 и 300 кДж/моль.

Известен сплав для раскисления и модифицирования чугуна [1], содержа щий кремний, редкоземельные металлы, стронций, кальций, алюминий и желе зо при следующем соотношении компонентов, мас.%: Кремний:55-80;

РЗМ:

0,1-1,5;

Стронций:0,1-5;

Кальций: 0,1-5;

Алюминий: 0,1-3;

Железо – остальное.

Недостатком сплава является низкая сфероидизирующая и нестабильная графи тизирующая способность при изготовлении отливок с толщиной стенки менее мм, что приводит к снижению механических свойств и возникновению отбела в отливках.

Известен модификатор для чугуна [178], содержащий следующие компо ненты, мас. %: Кремний: 15-90;

Стронций: 0,1-10;

Кальций: 0,1;

Цирконий и/или Титан: 0,3-10;

Железо – остальное. Недостатком модификатора является отсутствие воспроизводимости модифицирующего эффекта при обработке чу гуна. При содержании в модификаторе менее 0,1 % кальция, на нижнем уровне содержания кремния (15%) и любом сочетании в указанных пределах циркония и/или титана предельная растворимость стронция меньше 0,1 % [2]. Модифи катор указанного состава также не обеспечивает отсутствие отбела в отливках из конструкционных серых чугунов с толщиной стенки менее 3 мм. Кроме того, отсутствие в составе модификатора сфероидизирующего компонента не позво ляет получать графит шаровидной формы.

Разработан модификатор [175], состав которого обеспечивает получе ние высоких характеристик прочности и пластичности чугуна при отсутствии отбела в сечениях отливок менее 3 мм, а также необходимую воспроизводи мость модифицирующего эффекта. Цель достигается тем, что сплав содержит магний ЩЗМ и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Кремний 45- Магний 0,1-7, Редкоземельные металлы 0,1-2, Стронций 0,1-2, Кальций 0,1-1, Алюминий 0,3-2, Цирконий 0,1-2, Железо Остальное Дополнительное введение магния и редкоземельных металлов позволяет получать включения графита в чугуне шаровидной формы. Если в модификато ре одновременно содержатся магний и цирконий, то усиливается графитизиру ющий эффект, что приводит к уменьшению отбела в отливках. Соотношение компонентов в предлагаемом сплаве подобрано таким образом, что, благодаря взаимному влиянию указанных элементов обеспечивается воспроизводимость результатов модифицирования. Такой эффект достигается даже при попадании в сплав до 1,0 % производственных шлаков, состоящих из оксидов и сульфидов металлов.

Нижние и верхние пределы содержания компонентов сплава выбраны, ис ходя из достижения поставленной цели, а также из экономических соображе ний. Нижний предел содержания кремния в сплаве обусловлен тем, что при со держании в нем менее 45 %, модифицирующие свойства этого элемента прояв ляются слабо. Кроме того, кремний является растворителем других компонен тов сплава. Увеличение содержания кремния в сплаве более 78 % нецелесооб разно, так как не приводит к дальнейшему повышению модифицирующей спо собности этого элемента, а только к увеличению стоимости сплава.

РЗМ вводят в сплав для стабилизации результатов сфероидизирующего модифицирования вследствие нейтрализации примесей цветных металлов дег лобуляризаторов (Pb, Sn, Sb и др.) путём связывания их в мелкодисперсные со единения, дополнительно измельчающие микроструктуру. При содержании РЗМ в сплаве менее 0,1 % их влияние на свойства чугуна малозаметно, содер жание РЗМ выше 2,2 % нецелесообразно в связи с удорожанием слава.

Введение стронция в состав модификатора приводит к улучшению формы графита и резкому увеличению его графитизирующей способности. Однако графитизирующий потенциал стронция значительно уменьшается в присут ствии кальция и алюминия. Нижний предел содержания стронция в сплаве обу словлен тем, что при содержании в нем менее 0,1 % Sr добавка модификатора в чугун малоэффективна. Верхний предел содержания стронция ограничивается возможностями технологического процесса его получения.

Наличие кальция в присутствии магния способствует улучшению условий образования зародышей графита в процессе кристаллизации чугуна, причём, чем выше содержание кальция, тем больше должно быть содержание магния.

При содержании кальция 0,1 % содержание магния достаточно не более 0,15 %.

Верхний предел содержания кальция (1,5 %) соответствует также верхнему пределу содержания магния (7,0 %). Содержания кальция более 1,5 % вызывает снижение скорости растворения модификатора в жидком чугуне вследствие блокирования реакционной поверхности образующимися силикатами.

Содержание алюминия в модификаторе не должно превышать 2,0 %, так как алюминий снижает графитизирующую способность стронция. Нижний пре дел содержания алюминия в сплаве обусловлен большими затратами, связан ными с рафинированием шихтового ферросилиция от алюминия.

Наличие магния в сплаве менее 0,1 % не позволяет стабилизировать его состав и обеспечить необходимое соотношение содержания в нем стронция, кальция и алюминия в узких пределах. Магний увеличивает растворимость стронция в железо-кремнистом расплаве и позволяет стабильно поддерживать содержание этого элемента на верхнем пределе (2,0 %) даже при минимальном содержании в нём кремния (45 %). Кроме того, магний является основным сфе роидизирующим элементом. Содержание магния в сплаве более 7 % приводит к повышенному его угару и пироэффекту при вводе модификатора в жидкий чу гун. Поэтому такое содержание его в сплаве экономически и экологически не целесообразно.

Цирконий введён в состав сплава для нивелирования вредного влияния алюминия на графитизирующее действие стронция. Причём нижний предел со держания циркония соответствует нижнему содержанию алюминия в сплаве, а верхний предел содержания циркония соответствует наибольшему содержанию алюминия в сплаве. Известно, что стронций в присутствии алюминия в железо кремнистых модификаторах проявляет свои графитизирующие свойства не ста бильно и не всегда применение этих модификаторов приводит к полному устранению отбела в отливках. Введённый в состав сплава цирконий в указан ных пределах стабилизирует мощную графитизирующую способность строн ция вследствие образования прочных соединений ZrAl2, ZrAl3 и др. и позволяет предотвращать отбел в тонкостенных отливках. Содержание циркония менее 0,1 % не обеспечивает стабильную работу стронция при содержании алюминия в сплаве в количестве 0,3 %. Содержание циркония в сплаве в количестве 2,0 % позволяет полностью подавить вредное влияние алюминия даже при содержа нии алюминия 2,0 %.

Разработанный модификатор высокопрочного чугуна, имеет следующую формулу изобретения:

1. Сплав для модифицирования чугуна, содержащий кремний, стронций, кальций, алюминий, цирконий и железо, отличающийся тем, что он дополни тельно содержит магний и редкоземельные металлы при следующем соотноше нии компонентов, мас. %: 45-78Si, 0,1-2,2 TRE, 0,1-2,0 Sr, 0,1-1,5 Ca, 0,3-2,0 Al, 0,1-7,0 Mg, 0,1-2,0 Zr, остальное – железо.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит от 0,1 до 1,0 % маг ния, от 0,1 до 0,2 % кальция, от 0,3 до 0,5 % алюминия, от 0,1 до 0,3 % РЗМ.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит от 4,0 до 7,0 % маг ния, от 0,2 до 1,0 % кальция, от 0,5 до 1,5 % алюминия, от 0,1 до 0,3 % цирко ния, а в качестве редкоземельных металлов используют индивидуальные эле менты.

4. Сплав по п.3, отличающийся тем, что индивидуальными РЗМ элемен тами являются лантан и/или неодим, причём их общее количество составляет 0,2-0,5%.

5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит шлак и примесные элементы в количестве до 1 % каждого.

В литейном производстве ОАО «Шахтинский завод Гидропривод» в авгу сте 2013 г. в соответствии с результатами исследований и с использованием сфероидизирующего и графитизирующего модификаторов вышеуказанной формулы изобретения разработана и испытана технология модифицирования при изготовлении отливок "Анкер АРС-4" из марки ВЧШГ40-15 ГОСТ7293-85.

Разработанная технология обеспечивает стабильное получение чугуна марки ВЧШГ40-15 ГОСТ7293-85 в отливках при ковшевом модифицировании распла ва. В литом состоянии микроструктура отливок содержит преимущественно равномерно распределённый ШГр1 ГОСТ3443 шаровидный графит правильной формы ШГф5 ГОСТ3443, диаметром 25 мкм ШГд25 ГОСТ3443 с ферритной основой и содержанием перлита не более 4% П4(Ф96) ГОСТ3443. Механиче ские свойства чугуна в литом состоянии – временное сопротивление 450… МПа, относительное удлинение 17…22 % (Приложение 14).

Разработан высокопрочный ферритный чугун с улучшенными ан тифрикционными свойствами [180], ферритная основа которого при получении шаровидного графита обеспечивается применением разработанного модифика тора [175] с крупнокристаллической микроструктурой.

Чугун включает в состав углерод, кремний, марганец, магний и железо, дополнительно содержит титан, церий и никель, при этом компоненты взяты при следующем соотношении, мас.%: Углерод - 3,1-5,5;

Кремний - 2,2-2,7;

Марганец - 0,5-0,8;

Никель - 0,5-2,0;

Магний - 0,03-0,06;

Титан - 1,2-8,0;

Церий 0,02-0,20;

Железо – остальное.

Введение титана в количестве 1,2-8,0 мас.% в известный чугун обеспечи вает образование карбидов титана и позволяет повысить антифрикционные свойства чугуна получением структуры, соответствующей принципу Шарпи, повышением степени дисперсности, получением зернистого перлита, увеличе нием микротвердости, твёрдости и теплостойкости чугуна. При содержании ти тана до 1,2 мас.% увеличение антифрикционных свойств незначительно, при содержании титана более 8,0 мас.% повышенное содержание неметаллических включений резко снижает прочность материала, увеличивает склонность к об разованию трещин. Дополнительное введение церия в количестве 0,02-0, мас.% в чугун устраняет эффект деглобуляризации графита титаном и поддер живает механические свойства материала на высоком уровне. Содержание ос новных компонентов (углерода 3,1-5,5 мас.%, кремния 2,3-2,7 мас.%, марганца 0,5-0,8 мас.%, магния 0,03-0,06 мас. %) принято на основании практики произ водства антифрикционных чугунов с повышенными механическими свойства ми. Содержание легирующего элемента никеля 0,5-2,0 мас.% обеспечивает прочность матрицы в условиях трения при повышенных нагрузках. Техниче ским эффектом от использования изобретения является повышение износо стойкости и твёрдости при сохранении высокого уровня механических свойств.

Улучшение антифрикционных свойств обеспечивает повышение долговечно сти, хорошую (быструю) прирабатываемость, снижение шума при работе, улучшение обрабатываемости резанием.

Известен способ получения гранул, в котором предусмотрено свободное падение расплавленного металла на неподвижную пластину [177]. В соответ ствии с указанным способом при определённой скорости падающего металла и соударении его с пластиной образуются частицы различного размера и произ вольной формы за счёт собственной кинетической энергии. Эти частицы отска кивают вверх и в стороны от пластины и падают в ванну с охлаждающей сре дой. Недостатки способа – низкая технологичность из-за налипания жидкого ферросплава на пластину, а также нестабильное получение необходимого гра нулометрического состава ферросплава. Степень сфероидизации гранул (ССГ), получаемых по этому способу и определяемая как отношение минимального диаметра гранулы к её максимальному диаметру, выраженное в процентах, как правило, не превышает 70 %. Кроме того, получаемые по этому способу грану лы ферросплавов с активными элементами имеют окисленную поверхность и высокий угар этих дорогих элементов.

Известен способ получения ферросплавных гранул определённого размера и сферической формы на одновременно вращающихся барабане с огнеупорной футеровкой и огнеупорной подставке [186]. Согласно указанному способу жид кий металл диспергируют за счёт падения струи из барабана на конус подстав ки. Сферическая форма гранул получается под действием центробежных сил, а фракционный состав гранул определяется скоростью вращения барабана и под ставки. Недостатками способа являются большие энергетические затраты, необходимость изготовления специального устройства и трудность осуществ ления непрерывной грануляции ферросплава с активными элементами вслед ствие их взаимодействия с огнеупорным материалом и налипания продуктов реакции на барабане и подставке. Кроме того, получаемые по этому способу гранулы ферросплавов с активными элементами также имеют окисленную по верхность и высокий угар этих дорогих элементов.

Разработан способ получения гранул узкого гранулометрического состава с высокой степенью сфероидизации с неокисленной поверхностью без применения сложного устройства и состав шлака для его реализации [188].

Для решения поставленной задачи в способе получения ферросплавных гранул определённого размера диспергирование, сфероидизацию и кристалли зацию гранул осуществляют в расплаве шлака, который при последующем охлаждении рассыпается в порошок и отсеивается. Технический эффект при использовании изобретения достигается благодаря созданию благоприятных условий для диспергирования жидкого ферросплава и получения гранул сфери ческой формы за счёт энергии поверхностного натяжения между частицами ферросплава и жидким шлаком. Размером гранул при этом можно управлять, меняя тепловые условия охлаждения расплава ферросплава в шлаке, применяя шлаки, отличающиеся теплофизическими свойствами и меняя скорость отвода тепла от расплава. Степенью сфероидизации гранул можно управлять, приме няя шлаки с различными физико-химическими свойствами, так как она зависит от величины сил поверхностного натяжения на границе жидких ферросплава и шлака.

Известен шлак при производстве низкоуглеродистого феррохрома [193], содержащий 50-53 % СаО, 26-29 % SiO2, 5-7% Al2O3, 8-11 % MgO, 3.5-5.5% Cr2O3 и 0.5-0.8 % FeO, который при охлаждении рассыпается в тонкий поро шок, однако низкая плотность указанного шлака препятствует образованию гранул внутри шлака. Технический результат изобретения достигнут за счёт то го, что шлак для осуществления способа, содержащий оксиды алюминия, крем ния, кальция и магния, дополнительно содержит сульфид бария и углерод при следующем соотношении компонентов, масс. %:

оксид алюминия 1- оксид кремния 5- оксид кальция 30- оксид магния 1- сульфид бария 0,1- углерод 0,1-2, Введение в состав шлака сульфида бария и углерода в указанном количе стве обеспечивает увеличение его плотности, необходимое для устойчивого протекания процессов грануляции и сфероидизации гранул в расплаве шлака и необходимую рассыпаемость закристаллизовавшегося шлака. Кроме того, вве дение в состав шлака сульфида бария снижает его температуру плавления и вязкость, ускоряя процессы грануляции ферросплава.

Предлагаемый способ получения гранул ферросплава может быть реализо ван приготовлением жидкого ферросплава и шлака, совместным их сливом в ёмкость, охлаждением до полного рассыпания шлака и отделением гранул пу тём грохочения на ситах с заданными размерами отверстий. В электрической дуговой печи получают жидкий ферросплав и шлак, плотность которого соиз мерима с плотностью ферросплава. Химический состав ферросплава и шлака обеспечивают максимальную величину межфазного поверхностного натяже ния, получения гранул ферросплава сферической формы, их равномерное рас пределение в шлаке и его саморассыпание. Шлак, или жидкий ферросплав и шлак можно получить в разных плавильных агрегатах. Совместный слив фер росплава и шлака в ёмкость позволит осуществить охлаждение гранул ферро сплава внутри шлака и после его рассыпания отделить гранулы грохочением. В отличие от известного способа, связанного с дополнительным расходом элек троэнергии, необходимостью изготовления специального устройства и вклю чающего пять стадий (подачу ферросплава в барабан, слив из барабана на под ставку, вращение барабана и подставки, подачу гранул в бак с жидкостью и их сушку), в предлагаемом способе гранулы ферросплава получают в две или три стадии без применения сложного устройства для грануляции.

Разработанный способ получения гранул модификаторов для высокопроч ного чугуна имеет следующую формулу изобретения:

1. Способ получения гранул ферросплава, включающий диспергирование, сфероидизацию и кристаллизацию гранул, отличающийся тем, что диспергиро вание расплава ферросплава, формирование формы, размеров, макроструктуры и микроструктуры гранул осуществляют в расплаве шлака.

2. Способ получения гранул ферросплава по п.1, отличающийся тем, что состав шлака подобран таким образом, что при его охлаждении происходит са мостоятельное рассыпание и он в последующем легко отделяется от гранул при грохочении.

3. Способ получения гранул ферросплава по п.2, отличающийся тем, что шлак для получения гранул ферросплава, содержащий оксиды алюминия, кремния, кальция, магния, дополнительно содержит сульфид бария и углерод при следующем соотношении компонентов, масс. %:

оксид алюминия 1- оксид кремния 5- оксид кальция 30- оксид магния 1- сульфид бария 0,1- углерод 0,1-2, Результаты работы внедрены в литейных производствах нефтяной, авто мобильной и железнодорожной промышленности (Приложения 6,7,15) и фер росплавных производствах (Приложения 6,8,9). Экономический эффект от внедрения результатов работы в виде сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов на Fe-Si основе, а также технологий их применения составил:

в производстве отливок из высокопрочного чугуна АЧВ1 и АЧВ2 ООО «НЭК им. Э.Н. Корниенко» (г. Елабуга) за счёт внедрения новых модификато ров и оптимизации технологий за период с 01.01.2005 по 30.06.2012 составил 280 000 руб. с текущим экономическим эффектом более 2 000 руб./мес., в литейном производстве ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск) при изго товлении отливок автомобильного и нефтяного машиностроения в период с 01.01.2006 г. по 31.12.2009 г. в размере 1 787 000 руб.

в производстве модификаторов ООО «НПП Технология» (г. Челя бинск) в течение 2005-2008 г.г. в размере 4 563 000 руб.

в производстве контроля состава модификаторов ООО «ИЦМАЛ» (г.

Челябинск) в течение 2006-2008 г.г. в размере 486 000 руб.

6.1.2. Разработка сфероидизирующих аустенитных модификаторов на Fe Ni основе и технологий их применения при изготовлении отливок из высо копрочных чугунов высоких марок с перлитной, аустенитно-бейнитной и аустенитной матрицей Исторически первыми промышленно применяемыми модификаторами для сфероидизации графита в отливках из ЧШГ стали тяжёлые никель-магниевые лигатуры благодаря своему непревзойдённому преимуществу, а именно – их высокой плотности (лиг 6 г/см3), превышающей плотность чугунного расплав (чуг ~ 6 г/см3) [32, 34]. Это свойство позволило их применять достаточно без опасно и стабильно простым ковшевым способом и обеспечило эффективность технологии модифицирования вплоть до наших дней при изготовлении ответ ственных и особо ответственных, а также легированных никелем чугунных от ливок. Таким способом изготавливались вплоть до 2012 года все отливки из высокопрочного чугуна в ОАО «АвтоВАЗ», долгое время все отливки из ЧШГ в ОАО «КАМАЗ». В настоящее время продолжают изготавливаться таким спо собом ответственные ремонтные отливки во вспомогательном производстве металлургического производства ОАО «АвтоВАЗ», особо ответственные от ливки военно-промышленного комплекса из спецчугунов высоких марок ЧШГ ОАО «Барнаултрансмаш» и т.д. Однако никель-магниевые модификаторы при высоких технических показателях обладают стоимостью, в несколько раз пре вышающей стоимость модификаторов на Fe-Si основе, поэтому для невысоких марок ЧШГ и наименее ответственных отливок почти не применяются.

Попытки разработать тяжёлые модификаторы, обладающие техническими потребительскими характеристиками, аналогичными никель-магниевой лигату ре, но с меньшей стоимостью, привели к направлению уменьшения в них со держания никеля заменой его железом. Разработки продолжены в настоящей работе совершенствованием их состава и структуры, разработкой нормативной документации и технологии изготовления (СТП НЭК.010-97). При этом лигату ра-модификатор разливалась в массивные чугунные изложницы в виде чушки толщиной не более 50 мм для получения однородной макроструктуры и разби валась на куски размерами 50…200 мм.

Однако разработанный модификатор, несмотря на удобство применения и стабильность результатов модифицирования не нашёл широкого применения в литейном производстве из-за плохой дробимости. Фактически в нашей стране он применяется только по разработанной автором настоящей работы техноло гии при изготовлении крупнотоннажных отливок сортовых прокатных валков из легированного никелем чугуна с шаровидным графитом марки СШХН в ли тейно-металлургических производствах ОАО «Северсталь» (ныне "ССМ ТяжМаш", г. Череповец, Приложение 10) и ОАО «ММК» (ныне МЗПВ ММК, г.

Магнитогорск, Приложение 11, рисунок 6.1). Причём, на последнем предприя тии в настоящее время модификатор применяется в ограниченном количестве в особо ответственных случаях. Поэтому важной задачей материаловедения яв ляется уменьшение ударной вязкости литых Fe-Ni-Mg модификаторов [137].

Рисунок 6.1 Отливки сортовых прокатных валков из легированного никелем чугуна с шаровидным графитом марки СШХН, получаемые с помощью лигату ры ЖНМг45-5-1 СТП НЭК.010- Проблема дробимости последовательно решена в рамках настоящей дис сертации. Первым шагом явилась разработанная автором технология кристал лизации лигатурного расплава центробежным способом [182] (рисунок 6.2,а).

а) б) Рисунок 6.2 Внешний вид лигатуры ЖНМг ТУ 17325-001-12981753-2011: а) опытный ЦБЛ-модификатор, б) товарный модифицированный ЦБЛ модификатор Следующим шагом стала разработка модификатора, имеющего в своём со ставе субмикро-, суб- и наноструктурный легированный никелем аустенит, микро- и субструктурные фазы, содержащие магний и РЗМ, а также ультрадис персные тугоплавкие субструктурные частицы на основе соединений РЗМ (ри сунок 6.2,б). На модификаторы были разработаны технические условия ТУ 17325-001-12981753-2011, а также технология их изготовления с применением модифицирования расплава ПАЭ ([201], Приложения 5,6). Сравнение уровня дробимости показало, что лигатура, изготовленная с применением модифици рования расплава ПАЭ, имеет ударную вязкость в 2 раза меньше, чем лигатура, изготовленная по обычной технологии. Такой результат стал достаточным для получения фракционированного модификатора, удобного для использования его в малых ковшах ёмкостью вплоть до 20 кг.

Таким образом, были получены литые дроблёные содержащие магний и РЗМ модификаторы с железо-никелевым аустенитом, предназначенные для сфероидизирующего модифицирования нелегированных и легированных чугу нов, преимущественно с ограниченным содержанием в их составе кремния и феррита, в частности – перлитных, аустенитных, аустенитно-бейнитных чугу нов, а также половинчатых и белых чугунов при изготовлении отливок и слит ков. В результате обработки чугунных расплавов модификаторами ЖНМг ТУ 17325-001-12981753-2011 происходит легирование расплавов магнием, необхо димым для получения шаровидной или вермикулярной формы графита, их ра финирование от газов и неметаллических включений, а также насыщение цен трами кристаллизации графита и аустенита, необходимыми для измельчения и стабилизации зёрен аустенита, образующимися при кристаллизации отливок и слитков. ЖНМг-модификаторы ТУ 17325-001-12981753-2011 являются «тяжё лыми», имеющими плотность больше плотности чугунного расплава, поэтому их применение не требует специального оборудования или модернизации ков шей при ковшевом модифицировании и происходит с минимальным пироэф фектом из всех известных содержащих магний лигатур и усвоением магния бо лее 90%. Разработанные лигатуры-модификаторы могут применяться для рас кисления, рафинирования и модифицирования микроструктуры других сплавов и легированных сталей, преимущественно содержащих никель или на никеле вой основе, в частности – мельхиоров, нейзильберов, нержавеющих аустенит ных сталей и т.п., при изготовлении отливок и слитков.

Новый модификатор применяют в зависимости от решаемых задач в коли честве 0,6 … 1,5% в обычных открытых ковшах любой геометрии при практи чески полном усвоении магния и без пироэффекта. Технико-экономической эффективностью применения нового модификатора являются повышение ста бильности металлургического качества отливок (увеличение однородности и измельчение графита и матрицы, стабилизация аустенита и увеличение дис персности продуктов распада аустенита в микроструктуре чугуна), улучшение экологических, санитарно-гигиенических и безопасных условий производства.

Разработка новой модифицированной микроструктуры и повышение дроби мость модификатора позволили расширить область его применения за счёт ли тейных производств, использующих ковши ёмкостью менее 100 кг. В течение 2011-2012 г.г. проведены успешные испытания новых модификаторов на ков шах с количеством обрабатываемого расплава от 20 до 400 кг при изготовлении особо ответственных отливок на:

специальном чугуне ВЧШГ70 для изготовления отливок маслот порш невых колец и втулок направляющих – в ОАО "Барнаултрансмаш»" (г. Барнаул, Приложение 5);

АБЧШГ-100 для изготовления железнодорожных отливок – в ООО «Ли тейно-механический завод» (г. Рыбинск, рисунок 6.3);

НИРЕЗИСТе ЧН16Д7ХШ для изготовления литых заготовок росто устойчивых рабочих органов погружных насосов, работающих в условиях Крайнего Севера, – в ООО "Новые технологии" (г. Чистополь, Приложение 12, рисунок.5.14);

разработанные модификаторы и технологии модифицирования позволили создать экономно легированные чугуны типа НИРЕЗИСТ без сни жения их ростоустойчивости в литом состоянии, составы новых чугунов защи щены патентами РФ [184, 185];

НИРЕЗИСТе ЧН19Х3Ш для изготовления литых заготовок рабочих ор ганов хлебопекарного оборудования – в ОАО "Электротерм-93" (г. Саратов, Приложение 13, рисунок 6.4);

ВЧШГ50 для изготовления корпусных отливок – в ООО "Международ ная Производственная Компания" (г. Владимир, Приложение 16) и ООО "Завод точного литья" (г. Ульяновск, Приложение 20).

Экономический эффект от внедрения результатов работы в виде модифи каторов и технологий модифицирования составил: при изготовлении отливок прокатных валков в литейных производствах ОАО "ССМ-ТяжМаш" с 1998 года и ЗАО "МЗПВ" с 2006 года более 2 000 000 рублей;

рабочих органов погруж ных насосов из чугунов марки «НИРЕЗИСТ» в литейном производстве ООО «Новые технологии» в период с 01.07.2011 по 30.11.2011 548 000 рублей;

в ли тейном производстве ОАО "Электротерм-93" в ценах середины 2012 года рублей на тонну годного чугуна. Экономический эффект от снижения себесто имости модификаторов ЖНМг за счёт внедрения новых технологий составил в ООО «НЭК им. Э.Н. Корниенко» за период с 01.01.2004 по 30.06.2012 составил 2 148 000 руб. с текущим экономическим эффектом в ценах середины 2012 года более 10 000 руб./мес.

а) б) Рисунок 6.3. Железнодорожные отливки из АБЧ-100: а) клин б) корпус Рисунок 6.4. Литые заготовки рабочих органов хлебопекарного оборудования из чугуна НИРЕЗИСТ ЧН19Х3Ш 6.2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ГОМОГЕННЫХ РАСПЛАВОВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ 6.2.1. Технологии гомогенизирующей обработки чугунных расплавов Как было показано в главе 1, в настоящее время известно достаточно большое количество методов обработки расплавов для их рафинирования и го могенизации. Однако большинство известных методов либо энерго организационно затратны, либо требуют специального дополнительного обору дования при слабой изученности и проверке на практике. Также отмечено, что наиболее простым и достаточно эффективным способом гомогенизации желе зо-углеродистых расплавов является организация его кипения с образованием пузырьков СО2, который часто применяют при приготовлении стальных рас плавов, однако который не применим для обработки чугунных расплавов из-за низкого содержания в них кислорода благодаря высоким концентрациям крем ния. Поэтому гомогенизирующая обработка чугунных расплавов в отечествен ном литейном производстве практически не применяется.

В то же время, из практики производства отливок из алюминиевых сплавов известно применение для гомогенизирующей «продувки» расплавов обработки хлоридами цинка и марганца, которые образуют летучие вещества при взаимо действии с алюминием.

Исследовали возможность применения для гомогенизации чугунных рас плавов карбонатов щелочно-земельных металлов, разлагающихся в объёме рас плава [147, 171]. Анализ их характеристик показал, что для термических усло вий чугунолитейного производства наиболее подходят карбонаты стронция и бария, имеющие температуры разложения ~ 1000…1400°С. Как показал диффе ренциальный термический анализ карбоната стронция (рисунок 6.5), перед раз ложением он расплавляется при температуре ~ 980°С. Расплавление, т.е. распад твёрдого (SrCO3) на кластеры в чугунном расплаве должен приводить к резкому измельчению образующихся при последующем разложении (SrО) и {CO2} и эффективному рафинированию и модифицированию расплава. По всей видимо сти, карбонат бария в чугунном расплаве ведёт себя аналогичным образом, но при более высоких температурах.

Рисунок 6.5. Результаты термогравиметрии карбоната стронция Известна рафинирующая и модифицирующая смесь, содержащая 50-70 % оксидов и/или карбонатов бария, кальция, магния, 1-10 % оксидов редкозе мельных металлов, 2-5 % боратовой руды, 5-20 % алюминия и 20-35 % кремния [181]. При введении указанной смеси в металлический железоуглеродистый расплав вследствие протекания реакций достигается одновременное образова ние модифицирующего сплава, содержащего активные элементы, и рафиниру ющего шлака. Недостатком смеси является токсичность и высокая стоимость оксидов и карбонатов бария, получаемых из природных сульфатных руд путём сложной химической переработки. Известны брикеты для раскисления и моди фицирования стали и чугуна, содержащие карбонаты стронция и бария в виде продукта обжига витеритстронцианитового концентрата, алюминий, ферроси Данные предоставлены Агеевым Ю.А.

лиций ФС65, плавиковый шпат и связующее [154]. Недостатком брикета явля ется низкая гомогенизирующая эффективность из-за низкого содержания кар бонатов ЩЗМ и высокого содержания железа в смеси.

Разработана смесь [176], с повышенной рафинирующей и гомогенизирую щей способностью. Поставленная цель достигается тем, что в смесь, содержа щую алюминий, барийстронцийсодержащий и кремнийсодержащий материал вводят оксиды редкоземельных металлов и датолитовую руду в виде оксидов и карбонатов, а в качестве барийстронцийсодержащего и кремнийсодержащего материалов используют соответственно полиметаллическую руду, содержащую ЩЗМ в виде карбонатов и кремний, или его сплавы, содержащие менее 25 % железа, при следующем соотношении компонентов, мас. %: 30-80 полиметал лической руды, 5-30 алюминия, 5-25 кремния или его сплавов с содержанием железа менее 25%, 0,001-15 оксидов РЗМ, 1-5 датолитовой руды. Полиметалли ческая руда содержит барий, стронций, кальций, магний, кремний, калий, натрий, железо, марганец, алюминий и титан при следующем содержании ком понентов, мас. %: 10-18 Ba, 2-7 Sr, 10-20 Ca, 0,4-0,7 Mg, 10-16 Si, 2-3 K, 0,7-1, Na, 1,5-7,0 Fe, 0,1-0,3 Mn, 1-4 Al и 0,4-0,8 Ti. Датолитовая руда в виде оксидов и/или карбонатов содержит бор, алюминий, магний, кальций, кремний, железо, марганец, калий и натрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

2-4 B, 0,3-1,0 Al, 0,2-0,4 Mg, 20-30 Ca, 15-25 Si, 2-5 Fe, 0,2-2,5 Mn, 0,04-0, (K+Na). Кроме того, смесь для раскисления и модифицирования стали и чугуна может содержать 5-15 мас. % хотя бы одного оксида из группы TiO2, Nb2O5, V2O5, MoO3, NiO.

Исследовали возможность получения микрооднородной структуры рас плавов без высокотемпературного и длительного перегрева в условиях индук ционной плавки [150]. Для достижения поставленной цели выполнены испыта ния воздействия рафинирующе-модифицирующего материала БСК-2-УС ТУ 1717-001-75073896 [229], содержащего карбонаты бария, кальция и стронция, на свойства синтетического чугуна в жидком и твёрдом состоянии.

Испытаниям подвергались промышленные синтетические чугуны, вы плавленные в индукционной печи средней частоты ИСТ-1,0 с кислой футеров кой в производственных условиях ООО «НЭК им. Э.Н. Корниенко». В качестве шихтовых материалов использовались возврат собственного производства по рядка 30%, науглероживатель, лом рельсовой стали и ферросилиций ФС45. Для графитизирующего модифицирования применяли ферросилиций ФС75 в коли честве 0,5%. Во время испытаний действие материала в сравнительном режиме оценивали по жидкотекучести расплава при температуре 1345°C, оцениваемой по спиральной песчаной пробе в соответствии с ГОСТ 16438, пределу прочно сти на растяжение, твёрдости и характеристикам микроструктуры литых об разцов (ГОСТ27208 и ГОСТ3443).

Действие материала БСК-2-УС на механические свойства, микроструктуру и жидкотекучесть чугуна определялось при его ковшевой и печной обработке.

Для исключения влияния на результаты испытаний прочих факторов литейного производства печную обработку проводили на единой шихте на двух последо вательных плавках на одной печи одним плавильщиком. Средние по ковшам результаты механических испытаний представлены для ковшевой обработки в таблице 6.2 и на рисунке 6.6, для печной обработки – в таблице 6.3 и на рисун ке 6.7. Типичные изображения микроструктуры чугунов, полученных с ковше вой обработкой БСК-2-УС (ковш 1) и по обычной технологии (ковш 3), пред ставлены на рисунке 6.8. На традиционно выплавляемом синтетическом чугуне с заданной маркой СЧ20 дополнительная ковшовая и печная обработка рафи нирующе-модифицирующим материалом БСК-2-УС не повлияла на химиче ский состав и привела к:

увеличению технологической жидкотекучести более чем на 10%, уменьшению доли междендритного графита, повышению однородности морфометрических характеристик графита и матрицы чугуна, увеличению дисперсности перлита, стабильному уменьшению твёрдости чугуна в среднем на 5% (порядка 10 НВ) при сохранении прочности и фактической марке чугуна СЧ24.

Таблица 6.2.

Химический состав и механические свойства опытного чугуна при ковшевой обработке расплава Проба в C Si Mn Cr P S HB Расплав 3,60 1,48 0,81 0,05 0,027 0,024 - Ковш 1 (с обработкой 3,54 1,66 0,78 0,07 0,027 0,022 247 БСК-2-УС) Ковш 2 (с обработкой 3,59 1,59 0,76 0,06 0,027 0,023 261 БСК-2-УС) Ковш 3 (обычный) 3,54 1,69 0,77 0,05 0,027 0,025 256 Механические свойства опытных чугунов 261 206 в HB Ковш 1 (с БСК-2-УС) Ковш 2 (с БСК-2-УС) Ковш 3 (обычный) Рисунок 6.6. Гистограмма механических свойств опытных чугунов, получен ных с ковшевой обработкой БСК-2-УС и без неё.

Таблица 6.3.

Химический состав, механические и технологические свойства опытного чугу на при печной обработке расплава Жидкотекучесть, Проба в HB t° - 1345, песча C Si Mn Cr P S ная сухая С БСК-2-УС 105 см 3,45 1,66 0,72 0,04 0,019 0,021 247 Обычная плавка 95 см 3,43 1,68 0,74 0,04 0,019 0,022 241 Механические и технологические свойства опытных чугунов 247 Жидкотекучесть, см в, МПА HB Плавка с БСК-2-УС Обычная плавка Рисунок 6.7. Гистограмма механических свойств опытных чугунов, получен ных с ковшевой обработкой БСК-2-УС и без неё.

Достигнутый эффект получен благодаря воздействию на расплав образу ющимися обработке карбонатами ЩЗМ продуктами их распада – основными оксидами BaO, CaO, SrO и газообразным СО2, за счёт которых происходит глу бокое рафинирование и разрушение структуры расплава, приводящие к повы шению его макрооднородности и гомогенности (повышение жидкотекучести), к стабилизации ЭСР типа аустенита, а также более равномерной графитизации во время последующей графитизирующей обработки (повышение однородно сти характеристик микроструктуры отливки). Таким образом, был получен но вый эффективный инструмент повышения стабильности состояния расплава, который может быть полезен для повышения эффективности сфероидизирую щей обработки чугунов с шаровидным и, особенно, – вермикулярным графи том, а также повышения общего уровня технологических и механических свойств этих чугунов при изготовлении отливок ответственного назначения.

а), х50, не травлено б), х50, не травлено в), х50, травлено г), х50, травлено д), х400, травлено е), х400, травлено Рисунок 6.8. Примеры микроструктуры опытных чугунов, полученных с ков шевой обработкой БСК-2-УС (а, в, д) и без неё (б, г, е).

Для изготовления литых чугунных заготовок в литейном производстве ОАО «КАМАЗ-Металлургия» (г. Набережные Челны) расплавы готовят дуп лекс-процессом в дуговых печах плавки и выдержки с применением в шихте перемешанного возврата собственного производства из СЧПГ и ВЧШГ. Рас плав получается макронеоднородным из-за разнонаправленного градиента тем ператур и плотности, препятствующему перемешиванию металла. Кроме того, с такой наследственностью нижние слои металла имеют высокую микронеодно родность из-за недостаточной высокотемпературной обработки расплава [141].

Спецификой серых чугунов марки СЧ25, применяемых для изготовления самых сложных отливок «блок цилиндров» в рассматриваемых условиях, является от носительно низкое содержание серы (порядка 0,02-0,03%). Для предотвраще ния отбела и измельчения структуры графита при изготовлении этих отливок применяется модификатор на основе ферросилиция с содержанием стронция и циркония Superseed® Extra. Этот модификатор является одним из самых доро гих и самых мощных по своему действию в этом направлении при наличии вы сокого и среднего содержания серы (более 0,03%) в расплаве [258]. Однако для получения однородного распределения графита и удовлетворительной герме тичности отливок его применения бывает недостаточно из-за наследственной неоднородности расплава перед модифицирующей обработкой.


На основе полученных ранее результатов на индукционной плавке [229, 172], было принято решение о проведении испытаний материала типа БСК-2 в условиях чугунолитейного производства ОАО «КАМАЗ-Металлургия» с целью повышения однородности строения графита чугуна и повышения герметично сти отливок. Была разработана технология модифицирования графитизирован ных чугунов дуговой плавки, включающая применение БСК-2-УС совместно с ферросилицием ФС75 [173]. По разработанной технологии были проведены опытные заливки образцов для исследования строения, механических свойств, склонности к образованию отбела, жидкотекучести, а также опытных наиболее ответственных отливок «Блок цилиндров Евро». Разливку производили ковша ми ёмкостью 2,2 т. Сравнительные испытания двух вариантов технологии ков шевого модифицирования для повышения объективности результатов проводи ли на чугуне одной плавки, последовательно чередуя опытную и традиционную обработку расплава.

С каждого исследуемого ковша заливали:

для исследования механических свойств – по 2 литых пробы диа метром 30 мм и длиной 300 мм по ГОСТ 24648, для определения микроструктуры – V-образную пробу для механи ческих испытаний по ГОСТ 24648, черт. 5, тип II, для определения склонности чугуна к отбелу после модифицирова ния – клиновидную пробу, для исследования жидкотекучести расплава – спиральную песча ную пробу в соответствии с ГОСТ 16438, Заливку образцов на механические испытания, микроструктуру и отбел проводили ковшом ёмкостью 10 кг при температуре 1360 … 1380°С. Химиче ский состав базового расплава чугуна и чугуна после модифицирующей обра ботки представлен в таблице 6.4. Результаты испытаний образцов представле ны в таблице 6.5.

Таблица 6.4.

Химический состав чугуна Чугун C Si Mn Cr Cu Ni Ti S P 3,19 1,76 0,61 0,30 0,20 0,12 0,022 0, базовый – – – – – – – – 0, 3,30 1,85 0,64 0,31 0,22 0,15 0,024 0, 3,13 2,19 0,91 0,30 0,20 0,12 0,022 0, традиционный – – – – – – – – 0, 3,27 2,28 0,94 0,31 0,22 0,15 0,024 0, 3,13 2,33 0,95 0,30 0,20 0,12 0,022 0, опытный с – – – – – – – – 0, БСК-2-УС 3,27 2,42 0,99 0,31 0,22 0,15 0,024 0, Таблица 6.5.

Результаты испытаний Жидкотекучесть, Отбел, в, Микроструктура, ГОСТ Чугун НВ t° - 1379, песча мм МПа ная сухая 207 ПГф1-ПГф2, ПГр1,2,9, традици- 2,0 – 290 участки – ПГр3, ПГд25- 85 онный 2,4 224 Пт1, Пд0,3-0,5, П(Ф0) опытный 214 ПГф1-ПГф2, ПГр1,2, 2,2 – с БСК-2- участки – ПГр9, ПГд25- 90 280 2, УС 224 Пт1, Пд0,3-0,8, П(Ф0) Как следует из таблицы 4.2, чугуны, полученные в ходе опытных плавок с помощью новой технологии, обладают лучшей жидкотекучестью в расплавлен ном состоянии и более равномерными строением и свойствами в твёрдом со стоянии. Полученный результат можно объяснить синергетическим эффектом совместного воздействия на расплав, являющийся сложной многокомпонент ной системой, нескольких физико-химических факторов:

перемешивания расплава за счёт кипения пузырьков {СО2+СО}, обра зующихся при разложении карбонатов внутри объёма расплава, дегазации расплава от растворённых в нём газов за счёт образования пу зырьков {СО2+СО}, имеющих исходное нулевое парциальное давление этих газов, механического и энергетического кавитационного воздействия пузырь ков {СО2+СО} на кластерное строение расплава, локального переохлаждения микрообъёмов расплава при образовании, росте и расширении пузырьков СО2 в объёме расплава, рафинирующего и зародышеобразующего действия «свежеприготов ленных» оксидов ЩЗМ, образующихся при разложении карбонатов внутри объёма расплава, термодинамического локального воздействия кремния и FeSi2 в обла стях растворения (расплавления) ферросилиция.

В чугунном расплаве, представляющем собой неравновесную физико химическую среду, под воздействием названых факторов активно происходят процессы самоорганизации его структурных составляющих (самоуправляемое структурообразование сложных систем [237]), приводящие к определённому порядку, то есть строению расплава, обеспечивающему обнаруженные в ходе испытаний свойства.

Полученные положительные результаты испытаний дали основания рас пространить опыт на изготовление других ответственных отливок, в частности, из серого специального чугуна «Гильза цилиндра», а также из высокопрочного чугуна таких, как «Суппорт», «Коллектор», с получением высоких технико экономических показателей. В Производстве Чугунного Литья ОАО «КАМАЗ Металлургия» изготавливается широкая номенклатура отливок из высокопроч ного чугуна с шаровидным графитом для автомобильной промышленности развесом от 0,4 до 350 кг [152]. Необходимость максимального выхода годного с формы сделала нормой 18-ти, 16-ти, 12-ти гнездные модельные комплекты, в том числе и для тонкостенных отливок «коллектора» (рисунок 6.9), «корпуса турбонаддува», склонных к таким дефектам как «спай» и «недолив».

Рисунок 6.9. Отливка 7403-1008024 «Коллектор»

Отливки из ВЧШГ сгруппированы по температуре заливки. При этом име ется ряд так называемых «горячих» позиций, заливаемых в интервале темпера тур 1460-1480°C, при том, что основная номенклатура отливок заливается с температурой 1420-1460°С. Заливка «горячих» позиций влечёт за собой органи зационные простои формовочных линий, связанных со временем, необходимым для дополнительного нагрева чугуна, увеличение удельных расходов электро энергии и графитированных электродов.

Для снижения указанных потерь на основании теоретических данных об увеличении жидкотекучести чугунных расплавов при их гомогенизирующей обработке карбонатами ЩЗМ было принято решение о проведении испытаний по снижению на 20°C температуры заливки расплавов, модифицированных ковшевым методом материалами БСК-2-УС. В течение 2011/2012 годов была разработана технология и последовательно проведены её опытные и опытно промышленные испытания. Опытные испытания проводили на автоматической заливочно-формовочной лини АФЛ СПО-4 в литейном цехе ЛЦ-1 ПЧЛ произ вели заливку отливок 7403-1008025 «Коллектор». Химический состав исходно го чугуна и чугуна после модифицирования представлен в таблице 6.6. Норма тивная температура заливки отливки – 1460-1480°С.

Таблица 6.6.

Химический состав чугуна опытно-промышленных отливок «горячих» пози ций, мас. %;

C Si Mn Cr Cu Ni Ti S P Mg Исходный 3,99 1,99 0,33 0,08 0,08 0,05 0,014 0,012 0,033 (печь выдержки) Модифицирован 3,93 2,41 0,34 0,09 0,08 0,06 0,016 0,008 0,035 0, ный (ковш) Предварительное модифицирование произведено путём ввода на дно 1,0 т ковша следующих материалов ФС-75-6 0,4%;

БСК-2-УС 0,25% от массы жид кого металла. По приходу ковша на линию температура металла составляла Тмет=1488°С, вес металла 1016 кг. После 5-и минутной выдержки ковша Тмет=1436°С. Затем была произведена ковшовая обработка порошковой Mg FeSi проволокой на установке ковшевого модифицирования (УКМ). Затем ковш с модифицированным чугуном с Тмет=1425°C отправлен на разливку. В течение 4-х минут было залито 12 форм, последний «куст» был извлечён из формы для исследований на предмет наличия брака по недоливу и спаю. Результаты лабо раторных исследований механических свойств клиньев, залитых совместно с опытными отливками, и результаты металлографических исследований образ цов, вырезанных из отливок, представлены в таблице 6.7. Визуальная разбра ковка «кустов» отливок 7403-1008024 «Коллектор» и 7403-1008025 «Коллек тор» показала, что брак по спаю и недоливу на отливках отсутствует.

Таблица 6.7.

Результаты механических испытаний в, кг/мм Наименование отливки, % Твёрдость, Структура НВ 7403-1008024 «Коллек- ШГф4,5 ШГд 25, 76 198- тор» П45(Ф55) 7403-1008025 «Коллек- ШГф4,5 ШГд 70 187- тор» 15,25,45 П45(Ф55) На основании полученных результатов было принято решение о проведе нии опытно-промышленных испытаний по заливке «горячей» особо браконос ной (по спаю и недоливу) номенклатуре в течение одного месяца. В результате выход годного на отливках, относящихся к «горячей» номенклатуре, повысился за счёт уменьшения брака, прежде всего, по спаю и недоливам, в среднем более чем на 30%(!,таблица 6.8) при одновременном снижении расхода электроэнер гии и графитированных электродов за счёт снижения температуры заливки с 1460-1480°С до 1430-1450°С. С учётом только уменьшения стоимости внутрен него брака экономия за один месяц на «горячих» позициях составила порядка 220 тыс. руб. С 01.01.2012 в ЛЦ-1 ПЧЛ ОАО «КАМАЗ» по разработанной тех нологии гомогенизирующей обработки расплава карбонатами ЩЗМ БСК-2-УС ковшевым методом модифицировании изготавливается вся номенклатура отли вок из высокопрочного чугуна. При этом экономический эффект за счёт эконо мии материальных и энергетических ресурсов составляет более 1млн. руб. в год (Приложение 14).

Таблица 6.8.

Сравнение выхода годного отливок «горячей» номенклатуры залито сдано выход годного, % Наименование июнь отливки шт. шт. апрель май (опытный) 7406- 21740 10711 37 39 «Корпус турбонаддува»

7403- 6498 3963 35 48 «Коллектор»

7403- 6984 4044 47 44 «Коллектор»

740- 2198 1251 45 50 «Коллектор»

740.21- 2776 1262 26 23 «Корпус турбонаддува»


Среднее значение: 38,0 40,8 54, Расплавы для отливок рабочих органов насосов из легированного чугуна «НИРЕЗИСТ» ЧН16Д7Х(Ш) в ООО «Новые технологии» (г. Чистополь) произ водят в индукционных печах типа ИСТ-0,4 с кислой футеровкой. При этом ис пользуется 100% вторичных чугунных материалов – лом отработанных рабо чих органов насосов и стружка, образующаяся при механической обработке от ливок, лом и стружку предварительно переплавляемый в чушку с добавлением для корректировки химического состава до 5% стали, графита, феррохрома, ферромарганца, никеля и меди. Основной вид брака – внутренние газоусадоч ные раковины – составлял порядка 5-6%. Кроме основного вида брака при ме ханической обработке отливок периодически происходили «всплески» дефек тов в виде выкрашивания участков металла, а также снижения обрабатываемо сти и увеличения расхода режущего инструмента. Металлографические иссле дования показали, что эти проблемы связаны с повышенной неоднородностью микроструктуры чугуна отливок. Выкрашивание вызвано наличием в микро структуре чугуна крупного пластинчатого графита размерами более 180 мкм, снижение обрабатываемости – наличием в микроструктуре чугуна повышенно го содержания крупных включений цементита размерами более 6000 мкм 2. Для устранения указанных дефектов макро и микроструктуры разработана рафини рующе-гомогенизирующая печная и ковшовая обработка расплавов модифика торами БСК-2 и БСК-2-УС.

По обычной технологии расплав обрабатывается в 40-кг ковше ферроси лицием ФС75 в количестве порядка 0,05 кг (0,12%) на ковш. Опытную обра ботку расплава производили в печи материалом БСК-2 2 класса крупности (15 2 мм), в ковше ферросилицием ФС75 и БСК-2-УС фракцией до 1 мм в различ ном сочетании [199]. Фотографии внешнего вида образцов 1 и 2, вырезанных из средней по высоте части отливок «обечайка», представлены на рисунке 6.10.

Химический состав и описание микроструктуры образцов опытных плавок представлены в таблицах 6.9,10. Представители микроструктуры приповерх ностного металла отливок образцов 1 и 2 (край) представлены на рисунке 6.10, а металла осевой части отливки (центр) – на рисунке 6.11. Микроструктуры об разцов 3-1 и 4-1, вырезанных из отливок «колесо», отобранных из нижнего яруса стопочной формовки представлены на рисунке 6.12.

Как видно из таблиц и рисунка, микроструктуры исследованных образцов отличаются практически по всем характеристикам графита и цементита. Срав нение микроструктуры чугунов, модифицированного и не модифицированного БСК-2, на примере образцов, вырезанных из середины отливок «обечайка» по казывает, что модифицированный чугун обладает более равномерным распре делением графита, большими размерами и количеством графита, меньшими размерами и количеством цементита. Отливка «обечайка» из модифицирован ного БСК-2 чугуна (рисунок 6.10, образец 2) имеет более сосредоточенную усадку (металл вплоть до усадочной раковины более однородный по микро структуре, отсутствует междендритный графит и эвтектические колонии гра фита), в результате чего усадочная раковина дошла до средней части отливки, из которой вырезался образец.

б а Рисунок 6.10. Внешний вид образцов, вырезанных из середины отливок «обечайка». Образец 1 – без БСК-2, образец 2 – с БСК- Таблица 6.9.

Характеристики и химический состав образцов НИРЕЗИСТА Образец Модифицирование C Si Mn Cr Ni Cu P S Традиционное без кар 1 (обечайка) 2,59 1,95 0,96 1,98 14,8 6,8 0,09 0, бонатов ЩЗМ 2 (обечайка) БСК-2 в печь 0,3% 2,69 1,94 1,04 1,66 15,1 6,4 0,09 0, 3-1 (колесо) БСК-2 в печь 0,3% 2,80 1,88 1,18 1,54 14,4 6,2 0,07 0, БСК-2 в печь 0,3% и 4-1 (колесо) БСК-2-УС в ковш 0,2% В отличие от неё, отливка «обечайка» из не модифицированного БСК-2 чу гуна (рисунок 6.10, образец 1) имеет более рассредоточенную усадку (металл в осевой части более неоднородный по микроструктуре, междендритный графит в виде прослоек между аустенитными дендритами ПГр9, эвтектические коло нии пластинчатого графита ПГр3), в результате чего усадочная раковина в ме сте вырезки образца визуально не обнаружена.

а) Образец 1, край, не травл 50 б) Образец 2, край, не травл в) Образец 1, край, не травл 100 г) Образец 2, край, не травл д) Образец 1, край, травлено 100 е) Образец 2, край, травлено Рисунок 6.10. Микроструктуры приповерхностного металла отливок «обечай ка». Образец 1 – без БСК-2, образец 2 – с БСК- а) Образец 1, центр, не травл 50 б) Образец 2, центр, не травл в) Образец 1, центр, не травл 100 г) Образец 2, центр, не травл д) Образец 1, центр, травлено 100 е) Образец 2, центр, травлено Рисунок 6.11. Микроструктуры металла осевой части отливок «обечайка». Об разец 1 – без БСК-2, образец 2 – с БСК- Дополнительное ковшовое модифицирование БСК-2-УС (образец 4-1) при водит к повышении микрооднородности расплава перед кристаллизацией, что вызывает уменьшение размеров и количества графита, увеличение доли меж дендритного графита, некоторое увеличение количества и размеров цементита.

а) Образец 3-1, лопатка внутр, нетрав- б) Образец 4-1, лопатка внутр, нетрав лено 50 лено в) Образец 3-1, лопатка внутр, нетрав- г) Образец 4-1, лопатка внутр, нетрав лено 100 лено д) Образец 3-1, край, травл 800 е) Образец 4-1, край, травл Рисунок 6.12. Микроструктуры чугуна отливок «рабочее колесо». Образец 3- – без ковшевого БСК-2-УС, образец 4-1 – с ковшевым БСК-2-УС Для дальнейших опытно-промышленных испытаний в течение месячной производственной программы был принят вариант печной обработки расплава материалом БСК-2. Испытания показали резкое снижение уровня газоусадоч ных дефектов в отливках до уровня 0,5%. Во время испытаний не произошло всплесков ухудшения обрабатываемости отливок. Поэтому в июне 2010 года принято решение о внедрении разработанной технологической операции рафи нирующе-гомогенизирующей обработки (Приложение 12). В настоящее время по внедрённой технологии продолжает изготавливаться вся номенклатура от ливок.

Таблица 6.10.

Характеристики микроструктуры образцов НИРЕЗИСТА Образец Микроструктура Графит: форма, в-основном, ПГф1, редко - ПГф4, размер: ПГд90 180, распред-е: ПГр9,3,6,7, количество: ПГ4- Цементит: Ц25–Ц10, размером Цп2000-Цп ПГф1, отдельные включения ПГф4, ПГд180-90, распред-е: ПГр1, количество: ПГ6- Цементит: Ц4, местами –Ц10,Ц2, размером Цп2000, местами – Цп ПГф1,2, редко ПГф4, край – ПГд15-25, ПГр4,6,3,9, ПГ2-4 лопатка – ПГд45, ПГр1,3,9, ПГ 3- Цементит: Ц4, местами –Ц10,Ц2, размером Цп2000, местами – Цп ПГф1, редко ПГф4, край – ПГд15, ПГр9, ПГ2-4 лопатка – ПГд25, ПГр3,9, ПГ6- 4- Цементит: Ц4, местами –Ц10, размером Цп6000, местами – Цп Метод термической обработки повышения однородности чугунных рас плавов, требующий перегрева выше 1400°С, а легированных и чугунов с шаро видным графитом – более 1600°С, оказывается не применим к подавляющему большинству российских производственных чугунных расплавов, получаемых ваграночным и, тем более, доменным процессами. Поэтому решение указанной проблемы чрезвычайно актуально, в частности, для повышения качества и сни жения себестоимости таких крупнотоннажных и ответственных отливок как прокатные валки, тюбинги, изложницы и др. Для определения возможности решения указанной проблемы исследовали влияние физико-химического воз действия карбонатов ЩЗМ БСК-2 на однородность и кристаллизацию чугунно го расплава. Состояние и протекание процесса кристаллизации расплава оцени вали по его жидкотекучести и по изменениям микроструктуры отливок излож ниц, полученных с применением и без применения модификатора БСК-2.

Испытаниям подвергались чугуны марки СЧ25, выплавленные в условиях литейного производства ООО «СамЛит» в вагранке производительностью 3, т/ч из 100% чугунного лома [172]. Для гарантированного получения требуемой прочности чугун легировали небольшим количеством хрома. Легирующие эле менты в виде ферросилиция, ферромарганца и феррохрома при выплавке дава лись в калошу совместно с известью, чугунным ломом и опытным материалом БСК-2 (фракция 10 … 70 мм). Жидкотекучесть расплавов чугуна оценивалась визуально по склонности к налипанию расплава на носик ковша, проливаемо сти в вентиляционные наколы в литейной форме и растекаемости вышедшего в наколы расплава по форме. Для исследования микроструктуры и механических свойств чугунов заливали по 1 литой пробе диаметром 30 мм и длиной 300 мм по ГОСТ 24648 с каждого исследуемого ковша. Механические испытания про водили в соответствии с ГОСТ 27208. Испытание на растяжение проводили на образцах чертёж №1 ГОСТ 24648 с рабочей частью диаметром 18,2±0,5 мм и №6 ГОСТ 1497 с рабочей частью диаметром 10,0±0,1 мм. Измерение твёрдости проводили методом Бринелля на твердомере ТБ504 в стандартных условиях на специально отрезанных от литой пробы цилиндрах диаметром 20…25 мм и вы сотой 20…25 мм. Исследования микроструктуры осуществляли на головках образцов на растяжение после их испытаний с помощью оптического микро скопа NEOPHOT-32.

Приготовление опытного расплава, обработанного БСК-2, осуществлялось следующим образом. Первые 6 калош (порядка 2,5 т чугуна) на плавку посту пали без БСК-2, затем материал БСК-2 в количестве 4-5 кг на калошу (на 300 500 кг чугуна) с дополнительным легированием феррохромом подавался в последующих калош. Затем в калоши подавался дополнительно только ферро хром. Чугуны «общий» и для отливки «Станина» отбирались первыми ковша ми. Опытный анализируемый расплав «с БСК-2» отбирался в начале 3-ей тон ны наплавленного чугуна. Опытный анализируемый расплав «хром» без БСК- – на 6-й тонне. При разливке опытного чугуна визуальная оценка не вызвала сомнений, что его жидкотекучесть и жидкотекучесть шлака, образующегося во время его выплавки, с применением БСК-2 более высокая, чем у обычного. Ре зультаты исследования химического состава, микроструктуры и механических свойств сведены в таблицу 6.11 и в графическом виде представлены на рисунке 6.13. Микроструктуры чугунов в нетравленом виде представлены на рисунке 6.14. Для сравнения однородности механических свойств и микроструктуры опытных чугунов были исследованы верхняя и нижняя половинки, маркиро ванных как «Чугун «хром» (традиционный чугун) и «Изложница» (с БСК-2), оставшихся после проведения испытаний на растяжение стандартных образцов 18,2±0,5 мм (чертёж №1 ГОСТ 24648). Из них вытачивались и испытывались образцы №6 ГОСТ 1497 с рабочей частью диаметром 10,0±0,1 мм. Результаты испытаний также представлены в таблице 6.11 и на рисунках 6.13,14.

Исследования химического состава показали, что обработка БСК-2 на опытных плавках не привела к его изменению, в том числе по содержанию се ры. Оценка механических свойств на образцах 18,2±0,5 мм (чертёж №1 ГОСТ 24648) опытных чугунов, полученных по традиционной технологии и с приме нением БСК-2, также не показала заметных отличий.

Таблица 6. Состав и свойства опытных чугунов плавки № Микроструктура Проба в C Si Mn Cr Ni P S HB (ГОСТ 3443) ГОСТ ГОСТ 24648 Чугун (об 3,31 2,34 0,46 0,16 0,12 0,14 0,092 - 255 - щий) Станина 3,19 2,07 0,46 0,19 0,13 0,13 0,092 - 280 - верх верх ПГ12, ПГф1,2, Чугун 255 3,20 2,30 0,48 0,35 0,15 0,12 0,092 ПГр1,2,3,4, 9, ПГд180, «хром» низ низ ПТ1, П, Пд0,3 271 верх верх ПГ12, ПГф1,2, ПГр1,2, Изложница 280 3,27 2,21 0,48 0,28 0,14 0,12 0,092 ПГд180, (с БСК-2) низ низ ПТ1, П, Пд0,3 280 350 280 271 250 217 223 223 в, ГОСТ 24648, в, верх ГОСТ в, низ ГОСТ НВверх НВниз МПа 1497, МПа 1497, МПа Обычный Опытный с БСК- Рисунок 6.13. Сравнение механических свойств обычного и опытного чу гуна а) Чугун «хром», верх б) Чугун «хром», низ в) Изложница (с БСК-2), верх г) Изложница (с БСК-2), низ Рисунок 6.14. Изображения микроструктур графита опытных чугунов плавки № 70, не травлено, Уровень прочности плотного металла без обработки и с обработкой БСК- также примерно одинаков (отличия составляют не более 5% как в испытаниях на образцах по ГОСТ 24648: 315/300 МПа, так и в измерениях нижних образ цов по ГОСТ 1497: 271/280 МПа). Разница в уровне прочности (на образцах по ГОСТ 24648 получены большие значения, чем на образцах по ГОСТ 1497) свя зана с меньшим сечением центральной части испытываемого образца, в кото ром металл был менее плотный, чем металл периферии образца.

В то же время, испытания показали более стабильные механические свой ства в осевой части литой заготовки 30 мм обработанного БСК-2 чугуна по сравнению с необработанным чугуном. При этом общие уровни прочности и твёрдости в осевом сечении отливки не обработанного чугуна оказались ниже, чем у обработанного БСК-2 чугуна. Анализируя эти результаты совместно с ре зультатами испытаний образцов, имеющих сечение в 4 раза больше по площа ди (образцы по ГОСТ 24648), которые показали обратную тенденцию, можно сделать вывод о том, что чугун, полученный без обработки БСК-2, имеет большую ликвационную неоднородность и, как следствие, более сильно отли чающуюся по свойствам внутреннюю и внешнюю части отливки, то есть обла дает большей склонностью к макронеоднородности и усадке. Этот вывод под тверждает сравнение результатов измерения прочности и твёрдости верхней и нижней части литой заготовки пробы. У чугуна, обработанного БСК-2, проч ность и твёрдость в обеих частях пробы одинакова, в то время как у чугуна, по лученного традиционным путём, наблюдаются закономерные различия верха и низа пробы как по прочности, так и по твёрдости. Закономерности, полученные при испытании механических свойств, подтвердились при количественном ис следовании микроструктуры опытных чугунов. При небольших увеличениях хорошо видно, что чугун, полученный без дополнительной обработки, имеет более неоднородную структуру графита и дендритов перлита. В чугуне без об работки БСК встречаются колонии пластинчатого графита (ПГр3), колонии междендритного пластинчатого графита (ПГр4, ПГр9), особенно – в верхней части отливки, чего не наблюдается в чугуне, обработанном БСК-2. В то же время, количество графита в обоих чугунах одинаково и составляет 15% от площади шлифа. Форма графита, максимальные длина и толщина пластинок графита также одинаковы. Количество перлита (100%) и дисперсность перлита всех чугунов (Пд0,3 по ГОСТ 3443) также одинаковы.

Таким образом, на ваграночном чугуне СЧ25, легированном хромом (0,3…0,4%) и с высоким содержанием серы (0,1%), печная обработка рафини рующе-модифицирующим материалом БСК-2 в количестве 1,0% (10 кг на тон ну расплава) при использовании 100% чугунного лома практически не влияет на химический состав чугуна и приводит к:

увеличению технологической жидкотекучести чугунного и шлакового расплавов;

уменьшению доли междендритного графита в отливке;

выравниванию (повышению однородности) морфометрических характе ристик графита и матрицы чугуна в различных сечениях отливок;

увеличению стабильности механических свойств (прочности на растя жение и твёрдости по Бринеллю) в различных сечениях отливок;

уменьшению склонности к образованию газо-усадочных дефектов.

Рекомендовано [172] использование печной обработки ваграночных чугу нов модификатором БСК-2 для стабилизации свойств при изготовлении разно стенных отливок, для уменьшения склонности к усадке при изготовлении раз ностенных и массивных отливок, а также уменьшения объёма прибылей, пита ющих толстые сечения таких отливок.

Полученные результаты исследований рафинирующе-гомогенизирующего влияния модификаторов, содержащих карбонаты бария и стронция, в дальней шем были подтверждены промышленными испытаниями в условиях отече ственных литейных производств (Приложения 17-19).

6.2.2. Ресурсосберегающий метод и технология приготовления гомогенных чугунных расплавов из однородных дисперсных отходов машиностроения Разработана полезная модель на установку переплава дисперсных отходов, в частности, чугунной стружки, методом электрошлакового переплава с по движным нерасходуемым сводовым электродом и с использованием вместо кристаллизатора футерованной и имеющей низкую теплопроводность тигля с подовым электродом, имеющей свод и устройство её наклона [187]. В тигель плавильной установки перед включением загружают всю порцию дисперсных материалов, которые требуется переплавить, затем шихту засыпают необходи мым количеством флюса или шлака, обеспечивающим перекрывание доступа воздуха к дисперсным отходам и необходимые энергетические режимы работы печи. После включения печи разогрев и расплавление ведут до получения жид кой ванны без дозагрузки шихты. Для достижения максимального экономиче ского эффекта плавку ведут на переменном токе промышленной частоты.

В разработанном способе реализуются преимущества электрошлакового переплава, а именно – высоко перегретого покровного шлака, представляюще го самостоятельную металлургическую фазу, одновременно рафинирующую и хорошо защищающую расплав от взаимодействия с атмосферой и уменьшаю щую угар дисперсного металла практически до нуля [82]. Эти преимущества сочетаются с возможностями тигельной электроплавки, а именно – возможно стью в любой момент после расплавления стружки провести металлургические операции. Способ также является энергосберегающим за счёт эффективной теплоизолирующей футеровки.

Разработанный способ принципиально отличается от традиционно приме няемых в литейном производстве дугового и индукционного электроплавиль ных процессов однородностью нагрева стружки. В нём каждая частичка струж ки разогревается и плавится за счёт проходящего по ней по всему объёму элек трического тока примерно одной силы. При этом нет перегрева в локальном объёме шихты как от электрической дуги, имеющей высокую излучательную энергию при дуговой плавке, и нет поверхностного нагрева частички, как при индукционной плавке. Предположили, что в таких условиях в расплаве не су ществует объёмов металла, прошедших различную высокотемпературную тер мообработку, при небольшом перегреве в нём не должны разрушаться наслед ственные структуры, приготовленный таким образом из однородного материа ла он должен обладать структурной однородностью, а отливки должны полу чаться без структурных дефектов.

Проверку предположения проводили на серии переплавов известной одно родной чугунной стружки СЧ25 с различным содержанием в ней известной стружки ВЧ50 (0% и 50%) при различных температурах перегрева без графити зирующего модифицирования [151]. Химический состав стружки представлен в таблице 6.12. Результаты экспериментов сведены в таблицу 6.13. Методика, по которой оценивали склонность чугуна к отбелу показана на рисунке 6.15. Глу бину отбела определяли как расстояние от края клиновидной пробы до середи ны переходной отбеленной части.

При переплаве стружки чугуна с пластинчатым графитом по разработан ному методу равномерным разогревом до достаточно высоких температур бо лее 1350°C, при которых, как было показано в главе 5, происходит резкое уве личение его склонности к отбелу за счёт повышения микрооднородности рас плава, такое увеличение склонности к отбелу не произошло. Склонность к от белу расплава, полученного по разработанному методу из стружки с пластинча тым графитом, возросла до размера более 25 мм лишь при совместном перепла ве со стружкой из чугуна с шаровидным графитом (в количестве 50%) и при перегреве до температуры 1420°С.

Таблица 6. Химический состав стружки СЧ25 и ВЧ Марка C Si Mn Cr Ni P S СЧ25 3,37 2,67 0,4 0,19 0,16 0,04 0, ВЧ50 3,36 2,84 0,4 0,17 0,20 0,04 0, Рисунок 6.15. Методика определения глубины отбе ла серого чугуна на клиновидной пробе Таким образом, разработанный способ переплава позволяет без перегрева получать из известной марочной стружки качественные расплавы и, в частно сти, из стружки серого чугуна без модифицирования стабильно получать каче ственные отливки. Целесообразно отделять чугунную стружку из чугуна с пла стинчатым графитом от чугуна с шаровидным графитом. Тогда становится воз можным получать отливки с минимальными затратами электроэнергии и мате риалов простым переплавом без модифицирования.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 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.