close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка химических составов и технологии получения низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
АЛЕКСАНДРОВ МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ХИМИЧЕСКИХ СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТЕРМОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ
ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ СТЕКЛОФОРМ
Специальность 05.16.04  Литейное производство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород  2013
2
Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные процессы и машины
бесстружковой обработки материалов" ФГБОУ ВПО "Государственный университет
 учебно-научно-производственный комплекс" (г.Орел)
Научный руководитель:
кандидат технических наук, профессор кафедры
"Автоматизированные процессы и машины
бесстружковой обработки материалов"
Коренев Лев Павлович
ФГБОУ ВПО "Государственный университет 
учебно-научно-производственный комплекс" (г. Орел)
Официальные оппоненты:
заслуженный работник высшей школы РФ, доктор
технических наук, профессор кафедры "Материалы,
технологии и оборудование литейного производства"
Косников Геннадий Александрович
Национальный исследовательский университет
"Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет" (г.Санкт-Петербург)
кандидат технических наук, доцент кафедры
"Литейно-металлургические процессы и сплавы"
Коровин Валерий Александрович
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный
технический университет им. Р.Е. Алексеева»
(г.Нижний Новгород)
Ведущая организация:
Национальный исследовательский
технологический университет "МИСиС" (г.Москва)
Защита диссертации состоится "22" ноября 2013 года в 13-00 часов на заседании
диссертационного Совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном
техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний
Новгород, ул. Минина, д.24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.
Нижегородского
Автореферат разослан "21" октября 2013 года.
Ученый секретарь
доктор технических наук, профессор
В.А.Ульянов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. С развитием современной техники предъявляются все
более высокие требования к рабочим деталям машин, эксплуатируемым в сложных
условиях при термоциклическом нагружении и воздействии агрессивных сред. Это
обусловлено значительным ростом контактных термических, химических и
механических нагрузок. В связи с этим в последние годы значительно усилился
интерес к разработкам, связанным с повышением термоусталостной прочности
деталей, работающих в агрессивных средах и сложных термомеханических
условиях.
В подобных условиях эксплуатируются детали формовых комплектов для
производства стеклянных изделий. Проблема повышения эксплуатационной
надежности стеклоформ приобретает большое значение и имеет комплексный
характер. При этом необходимо улучшить показатели качества стеклотары,
уменьшить массу изделия, повысить производительность стеклоформующих машин.
Решением этой проблемы занимались такие ученые, как Дэвис Дж.Р.,
Гладштейн И.Е., Кушнир М.А., Биргер И.А., Сильвестрович С.И., Аверченко П.А.,
Храмченков А.И. и др. Эти авторы предлагают использовать в качестве материала
для деталей стеклоформ чугун ввиду его высокой циклической вязкости и прочности
чугунов высоких марок, хорошей обрабатываемости, высокой теплопроводности.
Ими отмечается повышение трещиностойкости стеклоформ при легировании чугуна
различными элементами (хромом, никелем, медью, алюминием и др.). Однако не
рассматривается влияние металлической основы, углеродного эквивалента,
теплопроводности и ряда других факторов на эксплуатационную стойкость деталей
стеклоформ. Технологические процессы, включающие режимы выплавки,
рафинирования и модифицирования чугунов, также не рассматриваются ими.
В связи с этим разработка технологии получения чугунов для деталей,
работающих в сложных термомеханических условиях, а также выработка
рекомендаций по оптимальному соотношению легирующих, рафинирующих и
модифицирующих добавок является актуальной научно-технической проблемой.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка новых
составов низколегированных термостойких чугунов для деталей стеклоформ и
улучшение их литой структуры путѐм применения микролегирования и
модифицирования чугунов с учѐтом комбинированного влияния различных
технологических параметров.
В соответствии с поставленной целью определены конкретные задачи
исследования:
1. Анализ особенностей эксплуатации деталей стеклоформ и выявление
факторов, влияющих на их стойкость; оценка эксплуатационных свойств материалов
для деталей стеклоформ.
2. Проведение систематизации и обобщения современных теоретических и
экспериментально-промышленных данных в области модифицирования и
легирования чугуна.
4
3. Исследование влияния углеродного эквивалента на ростоустойчивость, термои окалиностойкость чугунов, дополнительно легированных Mo, Ti, Cr и V.
4. Разработка технологических методов, обеспечивающих получение заданного
сочетания структурных составляющих чугуна.
5. Исследование влияния комплексного легирования и модифицирования на
особенности формирования структуры отливок из низколегированных чугунов при
различных условиях затвердевания.
6. Проведение компьютерного моделирования процесса кристаллизации чугуна.
7. Выбор параметров и исследование влияния термовременной обработки (ТВО)
на микроструктуру, механические и эксплуатационные свойства отливок из серого
чугуна с пластинчатым (СЧПГ) и вермикулярным (ЧВГ) графитом.
8. Разработка на основе результатов исследования технической документации на
термостойкие сплавы и внедрение их в производство.
Научная новизна работы:
1. Разработаны рекомендации на химические составы чугунов, обладающих
высокой стойкостью к термической усталости при комплексном термомеханическом
воздействии.
2. Разработаны
номограммы
(графические
модели),
позволяющие
прогнозировать свойства чугуна (теплопроводность, предел прочности и др.) и
параметры его структуры (количество графита, феррита и карбидов, величину отбела
и др.) и управлять ими, изменяя технологические параметры.
3. Установлено положительное совместное влияние молибдена, хрома и титана
на эксплуатационные свойства чугуна. С увеличением содержания молибдена
термостойкость чугунов увеличивается лишь при содержании в чугуне 1,8…2,1%Si и
достигает максимума при 0,4…0,6%Mo. Чугун, дополнительно легированный
хромом и титаном, обладает повышенной термостойкостью. Показано, что
зависимость структурообразования чугуна от содержания в нем хрома и титана
имеет выраженный минимум, обусловленный пониженной склонностью чугуна к
формированию переохлажденного графита, и максимум, характеризующийся
появлением охрупчивания при высоком содержании карбидов.
4. Установлен комплекс математических зависимостей, позволяющих
определить распределение температурных полей в отливке, скорость ее
затвердевания и соответствующие параметры микроструктуры и свойств.
Предложена и решена математическая модель охлаждения отливки, внесены
дополнения для расчета фракции затвердевшего металла.
5. Разработан технологический процесс, позволяющий получить в
производственных условиях отливки из чугуна с регулируемым количеством в
структуре шаровидного и вермикулярного графита. Разработанная технология
обеспечивает стабильное получение ферритной матрицы чугуна при твердости
отливок не выше 200 HB, с прелом прочности В=360…430 МПа и факторе формы
графита на уровне 0,48.
6. Выявлены причины появления дефекта "апельсиновая корка", возникающего
на рабочей поверхности стеклоформ в процессе их эксплуатации. Даны
рекомендации по предупреждению подобного дефекта при получении отливок.
5
На защиту выносятся следующие основные положения:
 предлагаемые химические составы термостойких чугунов индукционной
плавки;
 экспериментальные данные о влиянии рафинирующих и модифицирующих
добавок и условий кристаллизации расплава чугуна на структуру, механические и
эксплуатационные свойства отливок;
 результаты исследования влияния легирующих элементов и углеродного
эквивалента на ростоустойчивость, термо- и окалиностойкость чугунов;
 технологический процесс получения отливок из ферритного чугуна с
регулируемым количеством в структуре шаровидного и вермикулярного графита;
 результаты исследований процессов структурообразования чугунов,
подвергнутых ТВО жидкого расплава;
 результаты компьютерного моделирования и экспериментального
исследования процесса кристаллизации расплава чугуна.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Разработаны и внедрены в технические условия ЗАО "Завод "Флакс-Орел" ТУ
4111-003-33928912-2008 химические составы чугунов, обеспечивающие получение
заданных параметров структуры и свойств деталей стеклоформ.
2. Разработан и внедрен в технологической инструкции ЗАО "Завод "ФлаксОрел" ТИ 75665846.2501053.00009 процесс выплавки чугуна высокого качества с
применением стружечных отходов и его ТВО.
3. Результаты работы в виде графических и математических моделей и
технологических рекомендаций используются в производственном процессе на
заводе "Флакс-Орел" при проектировании технологии получения отливок и в
учебном процессе на кафедре "Автопласт" Госуниверситета-УНПК при подготовке
курсовых и дипломных работ.
4. Внедрение научных разработок настоящих исследований на ЗАО "Завод
"Флакс-Орел" обеспечило экономический эффект 4,79 млн. руб.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается:
 установлением зависимостей искомых параметров структуры и свойств
чугунов не от одного, а от двух влияющих факторов  разработка графических
моделей (номограмм);
 применением комплекса современных методов исследования и анализа
чугунов, в том числе электронной микроскопии, атомной абсорбционной
спектрометрии, рентгено-флуоресцентного анализа;
 использованием высокоточного сертифицированного оборудования и средств
измерений;
 обработкой экспериментальных данных с привлечением методов
математической статистики, регрессионного анализа;
 корректным применением основных положений теории теплообмена и
кристаллизации расплавов;
 согласованностью
результатов
лабораторных
и
промышленных
экспериментов.
6
Личный вклад автора состоит:
 в постановке задач исследования;
 в получении графических и математических зависимостей микроструктуры, а
также механических и эксплуатационных свойств чугунов от их химического
состава;
 в определении закономерности влияния углеродного эквивалента на
эксплуатационную стойкость исследуемых чугунов;
 в разработке технологических методов получения стабильной ферритной
структуры чугунов с различной морфологией графита;
 в разработке модели процесса затвердевания отливок;
 в организации опытно-промышленных испытаний в условиях действующего
производства, промышленном внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были
представлены на: IX Международной научно-практической конференции "Литейное
производство сегодня и завтра", г. Санкт-Петербург, 2012 г.; XI Съезде литейщиков
России, г. Екатеринбург, 2013 г.; научных семинарах кафедры «Автопласт»
Госуниверситета-УНПК, 2011-2013 гг.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 7 публикациях
в виде статей и тезисов докладов конференций, из них 4 в изданиях,
рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем
диссертации составляет 155 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 23 таблицы.
Список использованной литературы включает 152 источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы,
раскрыта научная новизна, основные научные результаты и практическая значимость
работы.
В первой главе проведен анализ условий эксплуатации деталей стеклоформ
(рисунок 1) и выявлены основные причины их низкой стойкости. Рассмотрен
механизм термоусталостного разрушения, включающий изменение структуры и
фазового состава материала деталей, накопление остаточной пластической
деформации, растрескивание и окисление структурных составляющих материала
деталей стеклоформ. Наиболее нагруженным в ходе эксплуатации стеклоформ
является поверхностный рабочий слой толщиной до 10 мм. В этом слое наблюдается
максимальный температурный перепад по толщине стенки детали, а интенсивность
теплового удара может достигать 250оС/(мм·с).
Рассмотрены критерии термостойкости материалов для изготовления деталей
стеклоформ, основанные на анализе кинетики напряженно-деформированного
состояния материалов при упругопластическом деформировании. Анализ
качественных критериев оценки термостойкости материалов показал, что общая
7
эксплуатационная стойкость стеклоформ определяется такими свойствами
материала, как теплопроводность, предел прочности, модуль упругости,
коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения.
а
б
Рис. 1. Компьютерная модель чистовой и черновой формы (а) и снимок чистовой
формы (б) для производства стеклотары (1 – полуформа чистовая, 2 – кольцо
горловое, 3 – поддон, 4 – полуформа черновая, 5 – кольцо центрирующее,
6 – плунжер, 7 – головка прессующая)
Получено аналитическое решение задачи о распределении температур в
стекломассе и форме, используя представленную ниже систему уравнений:
T
g
 x, t   T
contact

T
gO
T
contact
  c x2
g g
erf 
 4k t
g



,


  c x 
m m
,
T m x, t   T mO  T contact  T mO erf 


4
k
t
m


k g cg  g
T contact  T mO 
T gO  T mO .
k g cg  g  kmcm  m


(1)
2

(2)

(3)
где
k g , cg ,  g - теплопроводность (Вт/м·К), удельная теплоемкость (Дж/кгК) и
плотность (кг/м3) стекломассы;
km , cm , m - теплопроводность (Вт/м·К), удельная теплоемкость (Дж/кгК) и
плотность (кг/м3) материала формы;
о
T gO - начальная температура стекломассы, С;
о
T mO - начальная температура формы, С;
t - время контакта стекломассы и формы, с;
erf(•) - функция ошибок Гаусса.
Результаты расчетов представлены на рисунке 2, где x – координата по сечению
массива стекломасса-форма: для стекломассы x<0, для формы x>0.
8
Рис. 2. Диаграмма распределения температур в стекломассе и форме
при выдуве стеклоизделия
Выполнен анализ существующих принципов легирования чугунов,
применяемых для изготовления деталей, работающих в условиях воздействия
высоких температур и агрессивных сред. Показано влияние модифицирования и
интенсивности теплообмена между отливкой и формой на морфологию графита и
свойства чугунов.
Во второй главе описаны материалы и методики проведения исследований.
Плавки опытных чугунов проводились в индукционной печи ИСТ-0,4/0,32 с
кислой футеровкой емкостью 400 кг. Шихту составляли из литейного чугуна Л3 гр.I,
отходов стального лома, боя графитизированных электродов и ферросплавов.
При исследовании влияния на свойства и структуру отливок термовременной
обработки плавки подвергались фракционной разливке ковшом емкостью 50 кг
после нагрева чугуна в печи до температур от 1420оС до 1540оС с выдержкой от 5 до
30 минут. В ходе исследования было проведено более 60 плавок.
Исследование структур образцов из чугунов с вермикулярным и шаровидным
графитом, полученных различными способами обработки расплавов, с определением
подробных характеристик структуры выполнено в Научно-исследовательском
центре Elkem Research (г. Кристиансанд, Норвегия).
Химический состав образцов определялся методом атомной абсорбционной
спектрометрии AAS (магний) и рентгено-флуоресцентного анализа XFR (остальные
элементы, кроме С и S). Содержание C и S определяли на анализаторе Leco CS-230.
Оценка термической стойкости чугунов при легировании Mo, Ti, Cr
проводилась в лабораторных условиях на цилиндрических образцах  10 мм (ГОСТ
25.505-85 "Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на
малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении"). Режим
термоциклических испытаний:
- максимальная температура цикла
750оС
- минимальная температура цикла
60оС
- скорость нагрева
20оС/с
- скорость охлаждения
13оС/с
Окалиностойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 "Металлы. Методы
определения жаростойкости" весовым методом по увеличению массы образца при
9
его выдержке в камерной высокотемпературной печи в среде атмосферного воздуха
в течение 50 часов при температуре 650оС. Масса образцов была измерена до и после
испытания с точностью до 0,1 мг.
В третьей главе исследованы особенности теплообмена между отливкой и
формой и влияние интенсивности теплообмена на структурные параметры и
свойства чугуна. Приведен расчет скорости затвердевания расплава, а также
результаты компьютерного моделирования процесса затвердевания. Для
интенсификации процесса теплообмена между отливкой и формой в ходе
исследований применяли внешние холодильники.
Для суждения о полной кинетике затвердевания по сечению отливки были
построены графики продвижения фронта затвердевания в стенке отливки толщиной
50 мм, затвердевающей в контакте с металлическим холодильником и песчаной
формой (рисунок 3).
а)
Рис. 3. Фронт затвердевания стенки отливки на 15 (а) и 108 (б) секунде
после полного снятия перегрева
б)
Графики построены в ходе решения задачи, описываемой математической
моделью, состоящей из:
 дифференциального уравнения теплопроводности, написанного для
участвующих в теплообмене тел;
 тепловых условий на границах этих тел – граничных условий;
 начальных условий системы взаимодействующих тел.
Для проверки адекватности решения математической модели в системе
ProCAST 2010 было проведено компьютерное моделирование процесса
затвердевания и охлаждения отливки полуформы для стеклоавтомата ВВ-7.
В таблице 1 представлены результаты компьютерного моделирования процесса
затвердевания отливки полуформы, а также их сравнение с данными, полученными
при решении задачи затвердевания инженерным методом и математическим
моделированием.
В рамках исследования была проведена работа, направленная на определение
зависимости структуры чугуна от скорости его затвердевания. Отливки получали из
нелегированного чугуна следующего состава: 3,4%С, 1,9%Si, 0,4%Mn, 0,05%S,
0,07%P. Температура заливки составляла 1340оС. С целью регулирования скорости
затвердевания чугун заливали в формы из ПГС, ХТС, а также кокили.
На рисунке 4 представлена структура графита в исследуемых образцах.
10
Таблица 1. Сравнение различных методов расчета процесса
затвердевания отливки
Метод расчета
Время полного
снятия перегрева,
сек
Инженерный метод
Математическая
модель
Компьютерная
модель ProCAST
49
1
Определяемые параметры
Доля твердой фракции (%) на
Общее время
15
сек после
108 сек после
затвердевания,
полного
снятия
полного
снятия
мин
перегрева
перегрева
5,6
-
42
6,2
6,0
28,2
38
6,9
5,7
26,5
2
3
Рис. 4. Структура графита в исследуемых образцах (100), полученных литьем:
1 - в формы из ХТС; 2 - в кокиль; 3 - в формы из ПГС
Выполнена работа, направленная на повышение скорости затвердевания
расплава чугуна для отливок стеклоформ с целью получения шаровидного графита
при снижении расхода сфероидизирующего модификатора. В качестве
сфероидизирующей лигатуры использовался сплав следующего состава: 46,5%Si,
5,7%Mg, 6,0%РЗМ, 1,9%Ca, 0,8%Al, Fe ост.
Рис. 5. Элемент номограммы зависимости количества шаровидного графита (%)
в структуре отливки от скорости затвердевания и расхода модификатора
Экспериментальным путем установлено, что переход шаровидной формы
графита к вермикулярной по мере удаления от холодильника (с уменьшением
скорости затвердевания) следует непрерывно вплоть до полного исчезновения
включений шаровидного графита. Такая зависимость наблюдалась при достижении
11
скорости затвердевания 0,05 мм/с при навеске модификатора 0,5%. Возникновение
пластинчатого графита в структуре отливок наблюдалось лишь при снижении
навески модификатора до 0,2% и скорости затвердевания менее 0,08 мм/с.
Путем статистической обработки полученных данных была построена
номограмма зависимости количества шаровидного графита в структуре отливки от
скорости затвердевания и расхода сфероидизирующего модификатора (рисунок 5).
В четвертой главе исследована динамика изменения структуры
низколегированных серых чугунов с различной матрицей и морфологией графита в
ходе эксплуатации. Установлено, что чугун с ферритной металлической основой и
точечным равномерно распределенным графитом обладает заметно более высокой
термостойкостью, чем перлитный чугун с крупным пластинчатым графитом. В
перлитном чугуне вследствие возникновения сдвиговых процессов в решетке железа
при циклических нагревах и охлаждениях исходная структура постепенно
становится троосто-бейнитной, повышается твердость чугуна, снижается его
трещиностойкость.
Установлено влияние легирующих элементов (Mo, Cr, Ti) на термостойкость
чугунных образцов (рисунок 6). В качестве базового был выбран чугун, содержащий:
3,52%C, 0,58%Mn, 0,03%S, 0,02%P.
а)
Рис. 6. Термостойкость образцов в зависимости от содержания
в чугуне молибдена и кремния (а), титана и хрома (б)
б)
По результатам испытаний можно сделать вывод, что с увеличением
содержания молибдена термостойкость образцов заметно увеличивается лишь при
содержании в чугуне 1,8…2,1%Si и достигает максимума при 0,4…0,6%Mo. Чугун,
дополнительно легированный хромом и титаном, обладает повышенной
термостойкостью. При этом наибольшее ее значение наблюдается при содержании в
чугуне 0,10…0,12%Ti и 0,2%Cr (при 1,92%Si и 0,48%Mo). Установлен также тот
факт, что повышенное содержание титана и хрома негативно сказывается на
термостойкости образцов, что можно объяснить значительным понижением
пластичности и теплопроводности чугуна вследствие формирования карбидов и
переохлажденного точечного графита по всей толщине исследуемых образцов.
Выявлена зависимость окалиностойкости и ростоустойчивости легированных
чугунов от углеродного эквивалента. Установлено, что с увеличением углеродного
эквивалента окалиностойкость значительно уменьшается, начиная с СЕ=4,2%, что
связано с увеличением размеров и количества графитовых включений в
12
поверхностном слое образцов. В ходе эксплуатации крупные включения графита
выгорают, способствуя образованию зон окисления основного металла.
Определение ростоустойчивости проводили на образцах длиной 200 мм и
диаметром 20 мм по изменению длины в процентах за 100 часов испытаний при
температуре 750оС. Установлено, что практически все исследуемые чугуны имеют
выраженный экстремум в области СЕ=4,0...4,1%, в которой чугуны обладают
наиболее высокой ростоустойчивостью. С понижением углеродного эквивалента в
чугуне
повышается
содержание
цементита,
распад
которого
при
высокотемпературной выдержке способствует более интенсивному росту чугуна.
Разработана технология получения отливок стеклоформ из СЧПГ, включающая
выплавку чугуна, его легирование и термовременную обработку. В ходе
исследований расплав подвергали перегреву от 1420 до 1520оС с выдержкой от 10 до
30 мин. Результаты исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты опытных плавок
Распределение
ПГр1,3
ПГр1
ПГр1,2
ПГр1
ПГр1
ПГр1,7
ПГр1,2
ПГр1,9
ПГр1,8
ПГр1,8
Карбиды, %
190
203
192
211
207
214
195
220
233
239
Графит
(ГОСТ 344387)
1425оС, 10 мин.
1430oC, 10 мин.
1425оС, 10 мин.
1440оС, 15 мин.
1440оС, 20 мин.
1460оС, 20 мин.
1490оС, 30 мин.
Размер,
мкм
90...180
90...180
90...180
45...90
45...90
45...90
90...180
45...90
25...90
25...90
Феррит, %
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Предел прочности,
МПа
4
80
20
60
40
60
40
50
50
50
50
Вид обработки
3
№ варианта
2
1.Чугун Л3
2.Лом стальной 1А
1.Чугун Л3
2.Лом стальной 1А
1.Чугун Л3
2.Лом стальной 1А
1.Чугун Л3
2.Лом стальной 1А
1.Чугун Л3
2.Лом стальной 1А
Свойства, структура
Содержание, %
1
Составляющие
№ плавки
Шихта
45
56
45
58
54
59
44
57
59
62
11
9
11
7
7
6
12
5
3
2
На основании полученных результатов был установлен оптимальный режим
ТВО: температура 1460…1470оС, время выдержки 20 мин.
В
ходе
исследований
были
определены
причины
дефекта,
идентифицированного как "выкрашивание металла по крупным включениям
графита" (рисунок 7), происходящее при механической обработке отливок
стеклоформ. Было установлено, что подобный дефект является следствием действия
следующих факторов:
1. Высокий углеродный эквивалент (более 4,4%);
2. Полное отсутствие в структуре перлита;
3. Продолжительный, высокотемпературный отжиг;
4. Высокое содержание в шихте литейного чугуна;
5. Отсутствие ТВО расплава.
13
Рис. 7. Макроструктура поверхности дефектной детали
На основе проведенных исследований разработан новый состав СЧПГ для
деталей стеклоформ: 3,3…3,6%С, 2,0…2,2%Si, 0,3…0,4%Mn, до 0,05%S, до 0,05%Р,
до 0,3%Cr, до 0,5%Ni, 0,4…0,6%Mo, 0,10…0,15%V, 0,10…0,15%Ti, до 0,3%Cu
(заводская марка ЧФ-11).
Комплекс разработанных мероприятий позволил повысить термостойкость
чугуна в среднем на 42% при испытании в лабораторных условиях.
Производственные испытания подтвердили факт повышения эксплуатационной
стойкости на 75...100%. Было произведено в среднем 946,5 тыс. стеклоизделий с
отдельной черновой формы. Предельное значение составило 1215 тыс. изделий.
В пятой главе проведено сравнение структур высокопрочных чугунов,
полученных при различных условиях модифицирования. Для выявления наилучшего
способа ввода модификатора и его оптимальной навески для получения чугуна с
вермикулярным графитом было изготовлено четыре образца.
Химический состав опытных образцов представлен в таблице 3 (образец 5 –
базовый чугун). Результаты исследований микроструктур полученных образцов
представлены в таблице 4. На рисунке 8 показаны снимки микроструктур
исследуемых образцов в зоне, прилегающей к рабочей поверхности отливки, а также
на глубине 10 мм от наружной поверхности отливки. Способы обработки расплавов,
применяемые в ходе исследования, представлены в таблице 5.
Таблица 3. Химический состав опытных образцов
Химический
элемент
C
Si
Mn
P
S
Mg (AAS)
Ce
Cu
Ni
Cr
Mo
CE
Образец 1
3,41
2,59
0,353
0,029
0,016
0,020
0,010
0,205
0,558
0,140
0,019
4,27
Образец 2
3,39
2,34
0,353
0,030
0,018
0,013
0,016
0,205
0,554
0,139
0,019
4,17
Химический состав, %
Образец 3
Образец 4
3,40
3,14
2,26
2,98
0,352
0,351
0,029
0,030
0,019
0,019
0,015
0,025
0,011
0,005
0,207
0,234
0,559
0,476
0,138
0,132
0,019
0,039
4,15
4,13
Образец 5
3,55
1,96
0,366
0,030
0,020
0,005
0,003
0,204
0,557
0,140
0,023
4,20
14
Образец
Исследованная
площадь, мм2
Количество
включений
вермикулярного
графита/мм2
Степень
компактности
включений, %
Графит, %
Феррит, %
Перлит, %
Средний
размер
включений
графита, мкм
Фактор формы
Таблица 4. Результаты исследования микроструктур
1
2
3
4
5,2
5,2
5,2
5,2
141
196
182
38
64
79
77
31
10
8
10
8
71
70
65
78
19
22
25
14
29,3
27,9
30,1
30,5
0,58
0,48
0,52
0,80
1
2
3
4
а
б
Рис. 8. Структура опытных образцов: а  в зоне рабочей поверхности отливки; б  на
глубине 10 мм от наружной поверхности; 1-4  номера образцов; цена деления 0,2 мм
15
Таблица 5. Величина навесок применяемых модификаторов
Образец
1
2
3
4
ФСМг7, кг
0,50
–
–
–
Применяемый модификатор
CompactMagTM, кг
ФС75, кг
–
0,15
0,21
0,15
0,21
0,10
0,22
–
ФС65Ba4, кг
–
–
–
0,15
Внепечная обработка жидкого чугуна для выплавки образцов 1 и 2
осуществлялась по следующей технологии: сфероидизирующий модификатор
помещался на дно разливочного ковша перед его наполнением и накрывался
стальной высечкой, после чего ковш заполнялся расплавом на 2/3 и его заливка
чугуном прекращалась. После окончания реакции расплава чугуна с
магнийсодержащей лигатурой заливка ковша продолжилась с одновременной
подачей на струю металла графитизирующего модификатора. Образцы 3 и 4
изготавливались по технологии, заключающейся в присадке графитизирующего
модификатора совместно с магнийсодержащей лигатурой.
Исследования микроструктур однозначно показали, что образцы 1, 2 и 3 имеют
наиболее подходящую структуру для использования в качестве материала, как для
черновых, так и для чистовых стеклоформ, ввиду сосредоточения наибольшего
количества включений графита вермикулярной формы в глубинных слоях отливки, а
также наличия шаровидного графита в зоне рабочей поверхности отливки. Образец 4
имеет структуру высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по всему сечению
отливки, что предполагает его использование в качестве материала для чистовых
стеклоформ. Все образцы характеризуются увеличением доли шаровидного графита
на участках непосредственно прилегающих к рабочей поверхности.
При дальнейшем изучении характеристик отливок была установлена тенденция
к снижению объемной доли пор в структуре чугуна при использовании внешних
металлических холодильников, что способствует повышению теплопроводности
чугунного изделия в процессе его эксплуатации (рисунок 9).
Рис. 9. Зависимость теплопроводности (Вт/м∙К) чугуна с вермикулярным графитом
(СЕ=4,2%) от пористости и количества карбидов
16
Одновременно с этим в процессе исследований была установлена зависимость
предела прочности при растяжении чугунов от массы вводимого модификатора и его
химического состава (рисунок 10).
I
II
414
365
III
436
384
232
1
2
Рис. 10. Зависимость предела прочности (МПа) чугуна от массы вводимого
модификатора и его состава: I – без обработки; II – навеска 0,4% вес.;
III – навеска 0,6% вес., 1  ФСМг7, 2  CompactMagTM
Разработан
технологический
процесс,
позволяющий
получить
в
производственных условиях отливки из чугуна с регулируемым количеством в
структуре шаровидного и вермикулярного графита. Разработанная технология
обеспечивает стабильное получение ферритной матрицы чугуна при твердости
отливок не выше 200 HB, с прелом прочности В=360…430 МПа и фактором формы
графита на уровне 0,48.
Установлена зависимость массы сфероидизирующего модификатора от
температуры обрабатываемого расплава и процентного содержания магния в
модификаторе. Влияние температуры расплава на массу вводимого модификатора
является незначительным и составляет 9г/10оС для модификатора ФСМг4 при массе
обрабатываемого расплава 50 кг.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ причин разрушения деталей стеклоформ показал, что основным
повреждающим фактором является термомеханическое циклическое воздействие,
следствием которого являются значительные термические напряжения, локальные
области пластической деформации, разгарные трещины и окисление структурных
составляющих материала деталей стеклоформ. На основе выполненного анализа
определены основные свойства чугуна, а также структурные параметры,
определяющие общую эксплуатационную стойкость стеклоформ.
2. Исследована динамика изменения структуры низколегированных
термостойких чугунов с различной матрицей и морфологией графита в условиях
термоциклического воздействия.
Установлено, что чугун с ферритной
металлической основой и мелкодисперсным точечным графитом обладает заметно
17
более высокой термостойкостью, чем перлитный чугун с крупным пластинчатым
графитом.
3. Получены графические и математические зависимости микроструктуры, а
также механических и эксплуатационных свойств чугунов от их химического
состава. Получены графические и математические зависимости микроструктуры,
механических и эксплуатационных свойств чугунов от их химического состава.
Установлено положительное совместное влияние молибдена, ванадия, хрома и
титана на структуру и свойства чугуна.
4. Определена закономерность влияния углеродного эквивалента на
окалиностойкость и ростоустойчивость исследуемых чугунов.
5. Разработан комплекс математических зависимостей, позволяющих
определить распределение температурных полей в отливке, скорость ее
затвердевания и соответствующие параметры микроструктуры и свойств.
Предложена и решена математическая модель охлаждения отливки, внесены
дополнения для расчета фракции затвердевшего металла. Для подтверждения
адекватности математической модели проведено компьютерное моделирование
процесса затвердевания отливки стеклоформы.
6. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в технические
условия ЗАО "Завод "Флакс-Орел" ТУ 4111-003-33928912-2008 составы
термостойких чугунов для деталей стеклоформ: - с пластинчатым графитом:
3,3…3,6%С, 2,0…2,2%Si, 0,3…0,4%Mn, до 0,05%S, до 0,05%Р, до 0,3%Cr, до 0,5%Ni,
0,4…0,6%Mo, 0,10…0,15%V, 0,10…0,15%Ti, до 0,3%Cu (заводская марка ЧФ-11); - с
вермикулярным графитом: 3,4…3,7%С, 2,3…2,7%Si, 0,2…0,4%Mn, до 0,02%S, до
0,04%Р, до 0,15%Cr, 0,2…0,5%Ni, 0,2…0,4%Mo, до 0,3%Cu, 0,01…0,02%Mg
(заводская марка ЧФ-8).
7. Установлен режим термовременной обработки расплава СЧПГ: температура
1460…1470оС, время выдержки 20 мин.
8. Выявлены причины появления дефекта "апельсиновая корка", возникающего
на рабочей поверхности стеклоформ в процессе их эксплуатации. Даны
рекомендации по предупреждению подобного дефекта при получении отливок,
включающие: понижение углеродного эквивалента, получение в рабочем слое
деталей точечного графита, проведение ТВО расплава, снижение содержания
доменного чугуна в шихте, снижение температуры и продолжительности отжига.
9. По результатам исследований выявлен наилучший способ ввода
сфероидизирующего модификатора в расплав с целью получения вермикулярного
графита в отливках стеклоформ: 0,5…0,6% сфероидизирующего модификатора
помещают на дно ковша перед его наполнением и накрывают стальной высечкой.
После чего ковш наполняют чугуном на 2/3 и его заливка прекращается; после
окончания реакции расплава с магнием заливка ковша продолжается с
одновременной подачей на струю металла 0,4…0,5% ФС65Ба4.
10. Разработан технологический процесс, обеспечивающий стабильное
получение ферритной матрицы чугуна при твердости отливок не выше 200 HB, с
прелом прочности В=360…430 МПа и фактором формы графита на уровне 0,48.
18
11. Производственные испытания на стеклотарных заводах России подтвердили
факт повышения эксплуатационной стойкости деталей стеклоформ. Было
произведено в среднем 946,5 тыс. стеклоизделий с отдельной черновой формы.
Предельное значение составило 1215 тыс. изделий.
12. Положительный эффект от оптимизации состава и технологии получения
чугуна выражается в уменьшении брака по литью, повышении механических и
эксплуатационных свойств, а также термической стабилизации ферритной
структуры. Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования
на ЗАО "Завод "Флакс-Орел" составил 4,79 млн.руб.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК
Министерства образования и науки РФ
1. Александров, М.В. Повышение эффективности модифицирования чугуна для
отливок стеклоформ интенсификацией процесса графитообразования / М.В.
Александров, Д.Г. Чистяков // Литейщик России. – 2013. – №5. – С.19-21.
2. Александров, М.В. Влияние химсостава и микроструктуры чугунных отливок
на термостойкость деталей стеклоформ / М.В. Александров // Литейное
производство.  2012.  №8.  С.15-19.
3. Александров, М.В. Изготовление деталей стеклоформ из чугуна с
вермикулярным графитом / М.В. Александров // Литейщик России.  2012. 
№7.  С.22-25.
4. Коренев, Л.П. Анализ контактного взаимодействия отливки и формы. Тепловая
задача / Л.П. Коренев, М.В. Александров // Фундаментальные и прикладные
проблемы техники и технологии. – 2011. – №1. – С.10-15.
Научные статьи, опубликованные в российских и региональных
периодических изданиях и вузовских сборниках
5. Александров, М.В. Формирование градиентной структуры в деталях
стеклоформ из чугунов с различной морфологией графита / М.В. Александров,
Д.Г. Чистяков // Труды Нижегородского государственного технического
университета им. Р.Е. Алексеева. – 2013. – №3. – С.219-229.
Научные статьи, опубликованные в материалах Международных,
Всероссийских и межрегиональных конференций
6. Александров, М.В. Повышение циклической термостойкости ферритных
высокопрочных чугунов путем улучшения их литой структуры / М.В.
Александров // Труды XI Съезда литейщиков России. – Екатеринбург, 2013. –
С.29-32.
7. Александров, М.В. Влияние химического состава и микроструктуры чугунных
отливок на эксплуатационную стойкость стеклоформ / М.В. Александров //
Литейное производство сегодня и завтра: Труды 9-й Международной научнопрактической конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – С.166-173.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа