Національна академія наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Лахненко Володимир Леонідович

УДК 621.746:669.131.7 – 154:541.9

Процеси взаємодії активних елементів

модифікуючих добавок з рідким металом

при одержанні високоміцного чавуну

Спеціальність 05.16.04 – "Ливарне виробництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів

Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шуміхін Володимир Сергійович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Бубликов Валентин Борисович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу

кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнев Леонід Миколайович, Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра ливарного виробництва чорних та кольорових металів, Міністерство освіти і науки України, зам. декана

Провідна установа: Національний технічний університет України“

Харківський політехнічний інститут”,

кафедра ливарного виробництва,

Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 15 ” травня 2002 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 232. 01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680 м. Київ-142, пр. Вернадського 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680 м. Київ-142, пр. Вернадського 34/1.

Автореферат розісланий “ 12 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26. 232. 01

доктор технічних наук, професор ________________ Чорновол А.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Модифікування сплавів дозволяє в широких межах регулювати процес структуроутворення при твердненні виливків і одержувати литий метал високої якості. Воно дозволяє змінити структурні складові, що формуються при первинній кристалізації і евтектоідному перетворенні, а також змінювати їхнє кількісне співвідношення і морфологію. Модифікування відносять до основних технологічних операцій виготовлення чавунних виливків.

Дослідження процесів взаємодії модифікаторів з чавуном при різних методах його обробки проводились у багатьох наукових центрах і інститутах в Україні (ФТІМС, ДМетІ, КПІ, НДІСЗЛ, з-д им. Малишева) та за її межами (ЦНИИТМАШ, БПИ, УПИ, ЛПИ, ЦНИТИМ, ВНИИЛитмаш, ВПТИЛитпром, НИИТавтопром). В даний час продовжуються дослідження й оптимізація процесів модифікування чавуну, вивчення механізму взаємодії модифікаторів з розплавом і розробка нових ефективних модифікаторів. Через складність супутніх модифікуванню фізико-хімічних процесів варіативність методів і технологій, також як і можливостей одержання необхідної структури і властивостей, дуже висока. Тому питання дослідження фізико-хімічних процесів, що відбуваються при модифікуванні сплавів, і визначення оптимальних параметрів для різних випадків виробництва залишається актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі фізико-хімії сплавів Фізико-технологічного інституту металів і сплавів НАН України у відповідності з планом науково-дослідної роботи №388 “Дослідження процесів взаємодії рідких багатокомпонентних сплавів з активними добавками і розробка перспективних методів одержання сплавів з мікрогетерогенною структурою” (постанова бюро ВФТПМ НАН України від 11.06.1996, протокол №9), а також г/д роботи №3455.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження процесів взаємодії металевого розплаву з елементами модифікуючих присадок і встановлення закономірностей, що регламентують технологію одержання чавуну з кулястими включеннями графіту.

Об'єктом дослідження є сплави системи Fe-C-Si (C-3,5-4,2%; Si-1,8-2,5%), хімічно активні елементи (Mg, Ce, B, Ti, Zr) і процеси їхньої взаємодії в інтервалі температур 1200-1500°С.

Предметом дослідження є якісні і кількісні характеристики процесів взаємодії, структура і властивості чавуну з кулястим графітом після тверднення, визначення раціональних концентрацій елементів, що модифікують, і оптимальних технологічних параметрів обробки рідкого металу.

Відповідно цій меті було поставлено такі задачі:

1. Дослідити ефективність рафінування рідкого чавуну різними фізичними і хімічними методами обробки.

2. Вивчити вплив різних активних елементів на зміну характеру адгезіонної взаємодії рідкого чавуну щодо базисної і призматичної кристалографічних площин графіту.

3. Дослідити вплив активних елементів на структуру і властивості високоміцного чавуну після його тверднення.

4. Установити взаємозв'язок між параметрами металу в рідкому стані та його структурою та властивостями після кристалізації і розробити технологію одержання високоміцного чавуну.

Для розв'язання поставлених задач було застосовано такі методики дослідження:

·

· дослідження міжфазних властивостей розплавів методом лежачої краплі;

· дослідження фазових перетворень в сплавах методом диференціального термічного аналізу на установці "SETARAM" (Франція);

· вивчення кінетики розчинення твердої фази у високотемпературних рідинах методом обертового диску з рівнодоступною поверхнею;

· визначення кількісних параметрів структур сплавів за допомогою програми “Penguin IP” на установці, що об'єднує оптичний мікроскоп і комп'ютер;

· стандартні методики визначення механічних властивостей чавунів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Виявлено кінетику зміни активності кисню в рідкому чавуні при його розкисленні активними елементами Mg, B, Ti, Zr або Ce. Установлено, що швидкість насичення рідкого чавуну киснем мало залежить від методу попереднього розкислення та приблизно однакова для близьких величин активності кисню в рідкому чавуні і температури.

2. Вперше отримані температурні залежності впливу малих (до 0,15%) добавок хімічно активних елементів Mg, B, Ti, Zr і Ce на параметри адгезіонної взаємодії з графітом насиченого по вуглецю (Cн) розплаву Fe-Cн-2%Si.

3. Визначено інтервали концентрацій магнію і церію, при яких спостерігається їх інвертний вплив на міжфазну взаємодію в системі графіт – Fe-Cн-2%Si-розплав і, відповідно, така зміна величини енергії адгезії розплаву до графіту, за якої енергія адгезії розплаву на базисній площини графіту (00l) стає більшою відносно призматичної площини (hk0).

4. Встановлено, що добавки цирконію, титану або бору в кількості 0,10-0,15у насиченому по вуглецю залізо-кремній-вуглецевому розплаві забезпечують вирівнювання або перевищення енергії адгезії на базисній площині графіту відносно аналогічного параметра на призматичній грані, що є одною з декількох умов росту включень графіту в кулястій формі.

5. Показано, що залежності, які відбивають вплив концентрації бору та церію на ступінь графітизації чавуну мають екстремальний характер. Оптимальна кількість цих елементів у складі чавуну складає 0,01наявність зазначених активних елементів у графітизуючих лігатурах у кількості, що забезпечує вказану концентрацію їх у чавуні, сприяє посиленню графітизуючого ефекту.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі експериментальні дані дозволяють деталізувати механізм взаємодії модифікаторів I і II роду з розплавом, їхній вплив на процес кристалізації і морфологію окремих фаз високоміцного чавуну. Встановлено кінетику десульфурації чавуну і параметри взаємодії порошкового дроту, що містить магній, з чавуном; результати дослідження використані для удосконалювання процесів модифікування і рафінування чавунів, підбора складу модифікаторів, оптимізації технологічних параметрів обробки металу. Встановлено оптимальні параметри комплексної технології одержання високоміцного чавуну на основі передільних чавунів і металовідходів, що включає попереднє рафінування рідкого чавуну магнієм і модифікування комплексними лігатурами при розливанні. Технологія забезпечує високий коефіцієнт використання магнію (68на стадії рафінування), ефективне рафінування і модифікування чавуну, а також економічні переваги.

Отримані результати використані при розробці і впровадженні на КП "Київтрактородеталь" технології одержання чавуну з кулястим графітом для виливків транспортного машинобудування.

Особистий внесок здобувача:

·

· дослідження впливу температури на поверхневі властивості сплавів системи Fe-Cн-2%Si, що містять магній, бор, титан, цирконій або церій;

· аналіз кінетики десульфурації чавуну з застосуванням порошкового дроту, що містить магній;

· оптимізація параметрів багатостадійного технологічного процесу одержання високоміцного чавуну марки ВЧ 500-7;

· аналіз результатів дослідження і підготовка публікацій по темі дисертації.

Апробація роботи. Результати роботи були предметом доповідей на Міжнародній науково-технічній конференції "Виробництво стали в XXI столітті. Прогноз, процеси, технології, екологія" (Київ, 15-16 травня 2000 р., Дніпропетровськ, 17-19 травня 2000 р.), Міжнародному науково-технічному конгресі "Шляхи відродження ливарного виробництва в Україні на початку нового тисячоріччя" (Київ, 4-8 червня 2001 р.), семінарах відділу фізико-хімії сплавів ФТІМС НАН України (1999-2001 р.р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 7 статтях та матеріалах міжнародної конференції.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 136 найменувань, трьох додатків. Дисертація викладена на 134 машинописних сторінках, містить 35 рисунків та 15 таблиць.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі досліджень, сформульовано наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі на основі аналізу й узагальнення даних, наведених у публікаціях інших авторів, прийнята класифікація відомих модифікаторів за механізмом їхнього впливу на рідкий метал. У рамках запропонованої академіком П.А. Ребіндером класифікації, яка розділяє всі різноманітні присадки, що модифікують, на дві великі групи, які включають відповідно модифікатори I і II роду, запропонували розбивку цих груп на відповідні підгрупи, що деталізують механізм впливу модифікаторів на розплав.

Дія активних елементів, які відносяться до модифікаторів I і II роду, на процес кристалізації складається насамперед у їхньому впливі на розміри і стійкість мікроугруповань у розплавах у передкристалізаційний період та в зміні величини переохолодження.

Проаналізовано літературні дані по термодинаміці і кінетиці взаємодії модифікаторів з розплавом. Розглянуто термодинамічну імовірність, а також черговість взаємодії активних компонентів модифікаторів, з домішками чавуну. Вивчено можливість часток ставати центрами кристалізації при затвердінні сплаву. Установлено, що ефективність застосування модифікаторів I роду не завжди визначається принципом розмірно-структурної відповідності.

Розглянуто специфіку технології модифікування чавунного розплаву для одержання чавуну з кулястими включеннями графіту. Зроблено висновок, що дія деяких сфероідизуючих модифікаторів, яка носить інвертний характер, вивчена недостатньо. Дослідження процесів взаємодії активних елементів з чавуном, визначення оптимальних концентрацій елементів для ефективного модифікування віднесено до актуальних задач дослідження.

В другому розділі описано методики, використані для проведення досліджень, наведено схеми експериментальних установок, що дозволяють проводити експерименти з достатньою точністю.

Дослідження фазових перетворень у сплавах проводилося методом диференціального термічного аналізу на установці ГДТД-24 АВ фірми "SETARAM" (Франція). Установка дозволяє вести нагрівання в контрольованому газовому середовищі, у тому числі інертному, або у вакуумі. Інтервали досліджуваних температур — від 300 до 1550°С, діапазон регулювання швидкостей нагрівання — від 1 до 80 град/хв. Точність виміру температур — не гірше ніж ± °С.

Міжфазні властивості високотемпературних розплавів вивчалися методом лежачої краплі на оригінальній установці, що дозволяє проводити дослідження у вакуумі при температурі до 2000°С та в середовищі інертного газу — до 1800°С. Помилка виміру контактного кута змочування складала ±  град.

Для дослідження кінетики розчинення твердих тіл у високотемпературних рідинах було застосовано метод обертового диска з рівнодоступною поверхнею. Напівавтоматична установка дозволяє ставити експерименти при температурі до 1600°С. Швидкість обертання зразка плавно регулюється в діапазоні від 0 до 7000 об/хв. Час контакту зразка з розплавом контролюється електромеханічним секундоміром типу ПВ-53Ш з точністю 0,01 с.

Активність кисню в розплавах на основі заліза визначали методом ЕДС за допомогою стандартного датчика окисленности (ТУ 14-206-62-82), що представляє собою твердоелектролітичну комірку з струмовиводом.

Металографічні дослідження проводили на розробленій у ФТИМС НАН України установці, що сполучає оптичний мікроскоп "Епіквант" і персональний комп'ютер. Спеціально розроблене програмне забезпечення "Penguin IP" дозволяє визначати наступні металографічні параметри: мінімальний, максимальний і середній розміри включень, розмірну дисперсію, кількість включень, площу, займану включеннями, міжчасткову відстань, питому поверхню включень.

Механічні властивості сплавів визначалися відповідно до стандартних методик згідно з ГОСТ 9012-59, ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 9454-78.

У третьому розділі представлено результати визначення активності кисню в рідкому чавуні при його вакуумуванні або при введенні хімічно активних елементів, а також при наступній витримці розкисленого металу на повітрі. Досліджено зміну характеру адгезіонної взаємодії залізо-кремній-вуглецевого розплаву з графітом при добавках малої кількості активних елементів. Вивчено кінетику розчинення комплексних модифікаторів у рідкому чавуні.

При введенні в рідкий чавун активних елементів активність кисню в розплаві спочатку різко знижується, що свідчить про інтенсивну взаємодію цих елементів з киснем, а потім, при подальшому збільшенні добавки елемента фіксується на постійному рівні, який визначається головним чином спорідненістю цього елемента до кисню (рис. 1). Вакуумування дозволяє знизити активність кисню в чавуні до рівня 3-4·10-4, що трохи вище, ніж при розкисленні такими елементами як Mg, Ce, B, Ti або Zr. Після розкислення чавун досить швидко знову насичується киснем з повітря, причому швидкість насичення розплаву киснем близька для різних його концентрацій у розплаві після його рафінування (рис. 2).

Вивчено вплив накладення надлишкового тиску на ступінь засвоєння магнію попередньо вакуумованим чавуном. При збільшенні тиску від 0 до 0,16 МПа коефіцієнт засвоєння магнію збільшується з 30 до 80%, тобто, більше ніж у 2,5 рази.

Досліджено вплив малих добавок Mg, Ce, B, Ti або Zr на міжфазні властивості в системі Fe-Cн-2%Si-розплав – графіт (табл. 1, рис. ).

Таблиця 1

Поверхневий натяг розплавів Fe-CH-2%Si при 1350°С

після вводу активних елементів

Введений в розплав елемент Кількість елемента, що вводилась, % Концентрація елементу в розплаві, % sж-г, мДж/м2

Mg 0,10 0,03 1960±120

Mg 0,20 0,12 1940±120

Ce 0,15 0,08 1780±100

Ce 0,30 0,15 1680±70

B 0,10 0,10 1530±100

Ti 0,15 0,12 1630±70

Zr 0,20 0,15 1700±100

Розплави, що містять магній (0,03%) або церій (0,08%), мають високий поверхневий натяг. Енергія адгезії цих розплавів до графіту відносно його базисної кристалографічної площини більше енергії адгезії до графіту на призматичній площини у всьому дослідженому інтервалі температур. Збільшення концентрації магнію до 0,12% або церію до 0,15% призводить до того, що на фоні високого поверхневого натягу розплаву спостерігається вирівнювання значень енергії адгезії на різних гранях графіту. У розплавах, що містять бор (0,10%), титан (0,12%) або цирконій (0,15%), спостерігається перевищення енергії адгезії на базисній грані графіту над енергією адгезії на призматичній грані, але не забезпечується високий рівень поверхневого натягу.

Досліджено температурні інтервали кристалізації модифікаторів, що містять кремній та церій, визначена швидкість їхнього розчинення в рідкому чавуні. Усі вивчені модифікатори мають широкий діапазон твердо-рідкого стану (250-270°С). Швидкість розчинення їх у чавуні істотно відрізняється навіть для модифікаторів, що мають близькі значення теплофізичних параметрів.

У четвертому розділі наведено структури Fe-Cн-2%Si-сплавів, що містять малі добавки активних елементів Mg, Ce, B, Ti або Zr. Дано результати дослідження впливу різних варіантів модифікування рідкого чавуну на його структуру і властивості після кристалізації.

Зміна форми графітових включень знаходиться в кореляційному зв'язку з поверхневими властивостями сплаву в рідкому стані. Сфероідизація графітових включень спостерігається тільки в тому випадку, коли в розплаві виконані обидві вимоги до поверхневих властивостей, тобто, високий поверхневий натяг розплаву і перевищення енергії адгезії на базисній площині графіту над енергією адгезії на призматичній площині.

Досліджено вплив B, Ti, Zr і Ce на ступінь графітизації високоміцного чавуну. Про графітизуючі здатності сплавів судили за питомою кількістю включень графіту, площею графітової фази в структурі чавуну, глибиною відбілу на клиновій пробі. Спостерігається кореляційний зв'язок між усіма трьома критеріями оцінки ступеню графітизації чавуну (рис. 4). Вплив бору і церію на процес графітизації носить інвертний характер. Добавки цих елементів у кількості до 0,01% сприяють графітизації, збільшення добавки приводить до зворотного ефекту. Титан і цирконій сприяють графітизації у всьому дослідженому інтервалі концентрацій (до 0,1%).

Вивчено вплив B, Ti, Zr і Ce на механічні властивості високоміцного чавуну (табл. ). Ефективність використання активних елементів для вторинної обробки розплаву, попередньо модифікованого ФСМг7, досліджувалася в складі сумішей на основі ФСМг2. Активні елементи сприяють поліпшенню механічних властивостей високоміцного чавуну в цілому, але найбільш помітно покращується його пластичність.

У п'ятому розділі наводяться дані по оптимізації технології одержання високоміцного чавуну в умовах КП "Київтрактородеталь". Досліджено вплив технологічних факторів на ступінь використання магнію при рафінуванні чавуну порошковим дротом з наповнювачем у вигляді ФСМг17 (17% магнію). Найкращі показники досягаються при температурі чавуну 1300°С (рис. ). Найбільший коефіцієнт використання магнію (68%) при цій температурі отримано при масовій витраті магнію 2,7 г/с на тону рідкого чавуну.

Таблиця 2

Вплив активних елементів на механічні властивості високоміцного чавуну

№ плавки Склад сумішей для модифікування, % Механічні властивості високоміцного чавуну

ФСМг2 В Ti Zr Ce s, МПа d, % НВ

1 100 - - - - 520 7,4 220

2 95 5 - - - 520 7,5 190

3 90 - 10 - - 500 8,2 180

4 90 - - 10 - 525 8,4 200

5 95 - - - 5 530 9,8 180

При оптимізованих параметрах рафінування визначена динаміка десульфурації чавуну при його обробці порошковим дротом, що містить магній (рис. 6).

У початковий момент при введенні магнію в кількості приблизно 0,015% від маси чавуну зниження вмісту сірки мало помітно. У цей період відбувається інтенсивне розкислення чавуну, і магній витрачається на зв'язування кисню. Після завершення етапу розкислення залежність вмісту сірки від кількості введеного магнію носить практично лінійний характер до концентрації сірки 0,025%. При більш низькому її вмісті одночасно з десульфурацією починається насичення розплаву магнієм, і залежність стає криволінійною, що зв'язано з умовами рівноваги магнію і сірки в чавуні.

Визначено вартість рафінування чавуну для випадку кінцевої концентрації сірки 0,015%. Вартість десульфурації дротом Ж13 мм на 20-25% нижче, ніж Ж10 мм. Головним чином вона залежить від вихідного вмісту сірки і складає при [SН] 0,03; 0,04 і 0,05% відповідно 7,4; 9,2 і 10 у.о. на тонну оброблюваного чавуну. Підраховано економічну ефективність впровадження технології. Економічний ефект досягається головним чином за рахунок зменшення витрат на основні шихтові матеріали. З урахуванням подальших витрат на рафінування рідкого металу економічний ефект складає щонайменше 110 грн./т для дроту Ж10 мм та 125 грн./т для дроту Ж13 мм.

Досліджено структурні особливості високоміцного чавуну і його механічні властивості при різному ступеню попереднього рафінування порошковим дротом, що досягали шляхом зміни кількості введеного магнію. Динаміка збільшення ступеню сфероідизації графіту (ССГ) і інтенсивність насичення розплаву магнієм у міру збільшення присадки модифікатора ФСМг7 істотно залежать від ступеня рафінування розплаву (рис. 7). При однаковій кількості залишкового магнію ССГ більше в чавунів, що були попередньо рафіновані більш глибоко.

Установлено, що зниження концентрації сірки в чавуні перед сфероідизуючим модифікуванням з 0,041 до 0,008дозволяє зменшити середній розмір глобулей графіту з 50 до 38 мкм при одночасному збільшенні їхньої кількості з 73 до 105 шт/мм2. Також установлено, що для попередньо рафінованого чавуну спостерігається тенденція до більшого виділення фериту при різній кількості модифікатора, що вводиться.

Розроблено і виплавлено модифікатор, що містить цирконій у кількості 10%. Модифікатор відносно легко виготовити, він має грубозернисту структуру і добре дробиться, що робить його зручним у застосуванні. Питома вага модифікатора 5,0 г/см2 забезпечує відносно повільне його спливання в рідкому чавуні. Хімічний склад модифікатора такий, мас.Zr – ; Si – ; Al – ; Fe – інше.

ВИСНОВКИ

1. Проведено комплекс досліджень взаємодії активних елементів Mg, B, Ti, Zr та Ce з рідкими сплавами системи Fe-C-Si, що дозволило встановити ефективність застосування зазначених елементів для рафінування рідкого чавуну, визначити їхній вплив на характер адгезіонної взаємодії розплаву з графітом, формоутворення графіту під час кристалізації чавуну, структуру і властивості металу у виливках.

2. Досліджено ефективність розкислення рідкого чавуну шляхом його вакуумування або добавки хімічно активних елементів, виявлена кінетика зміни активності кисню при розкисленні чавуну Mg, B, Ti, Zr і Ce. Показано, що кожному методу відповідає свій рівень розкислення, що мало залежить від вихідної концентрації кисню в металі. При цьому вакуумування дозволяє знизити рівень активності кисню до 3-4ґ10-4, а добавка активних елементів –– до 3-18ґ10-5. Установлено, що швидкість вторинного насичення киснем приблизно однакова для близьких величин активності кисню в рідкому чавуні і температури.

3. При рафінуванні чавуну шляхом послідовного вводу в нього малих добавок магнію зміна концентрацій елементів у чавуні носить наступний характер: у початковий період практично весь уведений магній витрачається на розкислення аж до зниження активності кисню в розплаві до рівня 10-5. Потім починається видалення сірки, при цьому зниження її вмісту відбувається пропорційно введеному магнію до концентрації сірки 0,025%. Після цього десульфурація відбувається менш інтенсивно, і одночасно розплав збагачується магнієм.

4. Вперше отримані температурні залежності контактного кута змочування й енергії адгезії з графітом розплаву Fe-Cн-2%Si, що містить малі концентрації магнію, церію, бору, титану або цирконію.

5. Визначено інтервали концентрацій магнію і церію, при яких спостерігається їх інвертний вплив на міжфазну взаємодію в системі графіт – розплав і, відповідно, зміна величини енергії адгезії на базисній і призматичній площинах графіту. Встановлено, що наявність у залізо-кремній-вуглецевому розплаві магнію у кількості 0,03%, або церію у кількості 0,08% вже призводить до істотного підвищення поверхневого натягу сплаву, а також до зміни співвідношення енергії адгезії розплаву на базисній кристалографічній площині графіту (00l) і енергії адгезії на призматичній площині (hk0). При цьому енергія адгезії на базисній площині стає більшою, ніж на призматичній (Wa00l > Wahk0). Рівновага зазначених енергій адгезії або більш високе значення енергії адгезії на базисній площині є важливими умовами росту включень графіту в кулястій формі. Збільшення концентрації зазначених елементів до 0,12Mg або 0,15Ce призводить до відновлення несприятливого співвідношення енергій адгезії на різних гранях графіту, тобто магній і церій мають інвертний вплив на поверхневі властивості в системі графіт – залізовуглецевий розплав.

6. Встановлено, що розплави Fe-Cн-2%Si, які містять активні елементи — бор (0,10титан (0,12або цирконій (0,15%) мають позитивну різницю енергій адгезії на базисній і призматичній гранях графіту (Wa00lahk0), однак поверхневий натяг цих розплавів істотно нижче, ніж у сплавів, що містять магній або церій. При твердненні сплавів, що містять бор, титан або цирконій, кулясті включення графіту не утворюються. Таким чином, позитивна різниця енергій адгезії на базисній і призматичній гранях графіту є необхідною, але не достатньою умовою росту включень графіту в кулястій формі.

7. Встановлено, що серед активних хімічних елементів, що сприяють графітизації чавунів шляхом утворення високодисперсної фази в результаті взаємодії з киснем, сіркою, азотом і ін., титан і цирконій сприяють графітизації в інтервалі концентрацій до 0,1%, а залежності ступеня графітизації від концентрації бору і церію мають екстремальний характер — до 0,01% спостерігається збільшення ступеня графітизації, а понад ці концентрації має місце зворотний ефект.

8. Показано, що при одержанні високоміцного чавуну вторинне модифікування рідкого металу сумішами на основі ФСМг2 з бором, титаном, цирконієм і церієм призводить до підвищення графітизації сплаву і сприяє поліпшенню властивостей литого металу. Запропоновано лігатуру на основі заліза для інокулюючої обробки чавуну, яка містить 9-11% Zr та 25-30% Si.

9. Визначено оптимальні технологічні параметри рафінування чавуну безпосередньо в тиглі індукційної печі ємністю 10 т порошковим дротом, що містить 17% магнію. Установлено, що найбільший коефіцієнт використання магнію (68%) досягається при температурі чавуну 1300°С і витраті магнію 2,7 г/с на тону рідкого чавуну. При більш високих температурах розплаву ефективність використання магнію знижується.

10. Показано, що рафінування чавуну, що передує його сфероідизуючій обробці, дозволяє не тільки зменшити кількість модифікатора, що витрачається, але й одержати в структурі чавуну більш високий ступінь сфероідизації графіту при однаковій кількості залишкового магнію і покращити механічні властивості високоміцного чавуну. Так зниження концентрації сірки в рідкому металі перед його модифікуванням з 0,041 до 0,008% сприяє при однаковій кількості в чавуні залишкового магнію (0,04%) збільшенню ступеню сфероідизації графіту з 70 до більш ніж 90%.

11. На основі досліджень розроблено і впроваджено в умовах КП "Київтрактородеталь" комплексну технологію одержання високоміцного чавуну на основі передільних чавунів і металовідходів, яка включає попереднє рафінування магнієм і модифікування комплексними лігатурами. Технологія економічно ефективна і забезпечує стабільність структури і властивостей високоміцного чавуну.

Список опублікованих праць

1. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Смачивание графита железо-кремний-углеродистыми расплавами, содержащими бор, ванадий, титан или цирконий. // Адгезия расплавов и пайка материалов. – Вып. 34. – 1999. – С. 32-36.

2. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Влияние давления на процессы модифицирования чугуна магнием. // Процессы литья. – №4, – 1999. – С. 16-20.

3. Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Раздобарин И. Г. Влияние модифицирования на структуру и свойства отливок при повышенном содержании в шихте передельных чугунов. // Процессы литья. - №1, - 2000. – С. 33-41.

4. Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Верховлюк А. М., Щерецкий А. А. Поверхностные свойства железоуглеродистых расплавов и их роль при модифицировании. // Процессы литья. – №3, – 2000. – С. 44-48.

5. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Кинетика растворения модификаторов в жидком чугуне // Расплавы. – №4, – 2001. – С. 15-19.

6. Раздобарин И.Г., Шумихин В.С., Потрух А.Г., Лахненко В.Л. Рафинирование чугуна порошковой проволокой // Процессы литья. – №3, – 2001. – С. 39-42.

7. Раздобарин И.Г., Шумихин В.С., Лахненко В.Л., Потрух А.Г. Влияние рафинирования на структурные особенности высокопрочного чугуна // Процессы литья. – №4, – 2001. – С. 40-43.

8. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л., Щерецкий А. А. Влияние физико-химических методов раскисления на активность кислорода в железоуглеродистых расплавах // Материалы междунар. конф. "Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология". – Киев: – 2000. – С. 169-173.

Анотація

Лахненко В.Л. Процеси взаємодії активних елементів модифікуючих добавок з рідким металом при одержанні високоміцного чавуну. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.04 – “Ливарне виробництво”. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2002 р.

В роботі досліджено процеси взаємодії магнію, бору, титану, цирконію та церію з залізо-кремній-вуглецевими розплавами, встановлено закономірності, що дозволяють регламентувати технологічні параметри одержання чавуну з кулястим графітом. Вивчено вплив вказаних елементів на рівень активності кисню в рідкому чавуні та на зміну характеру адгезіонної взаємодії Fe-Cн-2%Si-розплаву з графітом відносно його базисної (00l) та призматичної (hk0) граней, а також на структуру та властивості високоміцного чавуну. Розроблено, оптимізовано та впроваджено економічно ефективну технологію виробництва чавуну з кулястим графітом.

Ключові слова: високоміцний чавун, міжфазні властивості, взаємодія, рафінування, модифікування, структура.

аннотация

Лахненко В.Л. Процессы взаимодействия активных элементов модифицирующих добавок с жидким металлом при получении высокопрочного чугуна. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 "Литейное производство". Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2002.

В работе исследованы процессы взаимодействия магния, бора, титана, циркония и церия с железо-кремний-углеродистыми расплавами, установлены закономерности, позволяющие регламентировать технологические параметры получения чугуна с шаровидным графитом.

Изучено влияние вакуумирования и добавок указанных элементов на активность кислорода в жидком чугуне. Установлено, что вакуумирование позволяет снизить активность кислорода до уровня 3-4·10-4, а добавка активных элементов — до aо=n·10-5, при этом наибольшую глубину раскисления чугуна можно достигнуть присадкой церия. Динамика вторичного насыщения кислородом предварительно раскисленного расплава мало зависит от способа раскисления. Исследовано влияние наложения избыточного давления на степень усвоения магния предварительно вакуумированным жидким чугуном. Увеличение давления от 0 до 0,16 МПа приводит к увеличению степени усвоения магния более чем в 2,5 раза.

Исследовано изменение характера адгезионного взаимодействия Fe-Cн-2%Si-расплава к графиту при добавках малого количества активных элементов. Установлено инвертное влияние магния и церия на поверхностные свойства Fe-Cн-2%Si-расплава. Наличие 0,03% магния или 0,08% церия приводит к существенному повышению поверхностного натяжения сплава, а также изменению соотношения энергии адгезии на различных плоскостях графита таким образом, что энергия адгезии на базисной грани становится больше, чем на призматической. Это создает благоприятные условия для формирования шаровидных графитовых включений при затвердевании сплава. Увеличение концентрации магния до 0,12% или церия до 0,15% приводит к восстановлению неблагоприятного соотношения энергий адгезии на разных гранях графита. Расплавы Fe-Cн-2%Si, содержащие активные элементы — бор (0,10титан (0,12или цирконий (0,15%) обладают положительной разницей энергий адгезии на базисной и призматической гранях графита (Wa00lahk0), однако поверхностное натяжение этих расплавов существенно ниже, чем у сплавов, содержащих магний или церий. При затвердевании сплавов, содержащих бор, титан или цирконий, шаровидные включения графита не образуются.

Изучена кинетика растворения в чугуне лигатур, содержащих кремний и РЗМ. Показано, что скорость их растворения в чугуне может существенно отличаться даже для лигатур, имеющих близкие значения теплофизических параметров.

Исследовано влияние бора, титана, циркония и церия на графитизирующую способность чугунов. Установлено, что титан и цирконий способствуют графитизации в интервале концентраций до 0,1%, а зависимости степени графитизации от концентрации бора и церия имеют экстремальный характер — до 0,01% наблюдается увеличение степени графитизации, а свыше этих концентраций имеет место обратный эффект. Изучено влияние этих элементов на механические свойства.

Оптимизированы технологические параметры рафинирования чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой непосредственно в тигле индукционной печи емкостью 10 т. Исследовано влияние предварительного рафинирования на структуру и свойства высокопрочного чугуна. На основе исследований разработана и внедрена в условиях завода КП "Киевтрактородеталь" комплексная технология получения высокопрочного чугуна на основе передельных чугунов и металлоотходов, включающая предварительное рафинирование магнием и модифицирование комплексными лигатурами. Технология экономически эффективна и обеспечивает стабильность структуры и свойств высокопрочного чугуна.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, межфазные свойства, взаимодействие, рафинирование, модифицирование, структура.

Summary

Lakhnenko V.L. Interaction processes of active elements of modifying additions with liquid metal for obtaining of high-strength cast-iron. Manuscript.

Dissertation for the Candidate of Sciences Degree in the field of technology, speciality 05.16.04 “Foundry production”. Physico-technological Institute of Metals and Alloys of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv 2002.

Processes of interaction of Mg, B, Ti, Zr and Ce with Fe-C-Si-melts were studied; consistent patterns permitting to institutionalize technological parameters of obtaining of cast-iron with spherical graphite have been determined.

Influence of mention elements to the level of oxygen activity in liquid cast-iron, alteration of adhesive interaction character of Fe-CS-2%Si-melt with graphite on its basic (00l) and prismatic (hk0) faces and also structure and properties of high-strength cast-iron have been investigated. Economically effective technology for obtaining of cast-iron with spherical graphite has been developed, optimised and put into operation.

Key words: high-strength cast-iron, interfacial properties, interaction, refining, modifying, structure.