Введение к работе
Актуальность работы. Получение абсолютного большинства промышленных металлических сплавов связано с их выплавкой. В связи с этим, по мере углубления сведений о твердом состоянии, все большее внимание уделяется предшествующей ему в технологической цепи производства жидкой фазе. Для достижения в процессе выплавки наибольшего эффекта рафинирования, легирования, модифицирования и других операций необходимо накопление сведений о свойствах металлических расплавов, в частности, таких, как поверхностное натяжение и плотность. Подобные сведения способствуют разработке приемов для формирования наиболее благоприятного микроскопического состояния расплава, обеспечивающего при неизменном химическом составе наилучшие свойства твердого металла. Эти данные так же необходимы, как справочный материал для выполнения технологических и конструкторских расчетов, научных обобщений и раскрытия новых закономерностей причинной взаимосвязи: состав - строение - свойства.
Среди огромного разнообразия составов промышленного металла существенную роль играют чугуны. Основная часть выполненной диссертационной работы посвящена исследованиям эвтектических сплавов железа с углеродом и жидких чугунов, а также оптимизации подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования. Структура жидких чугунов сложна и многообразна. Сведения, имеющиеся в литературе о форме существования углерода в расплавах, крайне противоречивы. В то же время состояние исходного расплава, значения его физических свойств влияют на процесс структурообра-зования. Именно поэтому для углубления представлений о структурных изменениях исследованных в работе промышленных расплавов чугунов изучены модельные сплавы систем Fe-C и Fe-C-Si, составляющие их основу.
Диссертационное исследование выполнено в соответствии с научно-технической программой Министерства образования РФ "Новые ресурсосберегающие металлургические технологии", 1994-1997 г.
'"Цель работы. Исследование временных, температурных и концентраци онных зависимостей поверхностного натяжения жидких сплавов Fe-C Fe-C-Si. Углубление представлений о природе структурных превращений і этих расплавах в результате изменения температуры и состава.
Изучение температурных зависимостей поверхностного натяжения жид ких промышленных чугунов. Анализ полученных данных в совокупности < результатами исследования других физических свойств и структуры в твердо» состоянии. Разработка оптимальных температурно-временных режимов под готовки расплава чугуна к процессу его модифицирования.
Научная новизна. Обнаружен осциллирующий характер временных зави симостей поверхностного натяжения и плотности как модельных сплавої Fe-C, Fe-C-Si, так и промышленных чугунов. Полученные результаты находя: объяснение в рамках теории неравновесных процессов.
Изучены температурные и концентрационные зависимости плотности і поверхностного натяжения сплавов систем Fe-C, Fe-C-Si вблизи эвтекти ческого состава.
Температурные и концентрационные зависимости плотности исследо ванных расплавов линейны.
Наклон политерм поверхностного натяжения ст(1) Ре,С-сплавов зависит от содержания углерода в сплаве. По мере приближения к эвтектическому составу температурный коэффициент do/dt меняет знак с отрицательного нг положительный. Наклон изотерм о(%С) определяется температурой рас плавов. В интервале 1400-1500С знак концентрационного коэффициенте dcr/d(%C) меняется с отрицательного на положительный.
Температурный коэффициент da/dt политерм поверхностного натяжения o(t) Fe-C-Si-сплавов положителен и практически не зависит от составе сплавов. Что касается совместного действия углерода и кремния на значенш а, то на зависимостях о(Сэ) наблюдаются следующие две тенденции: а) і доэвтектических сплавах с увеличением значения Сэ поверхностное натяженш
уменьшается; б) в заэвтектических сплавах с увеличением значения С поверхностное натяжение увеличивается.
Полученные экспериментальные результаты позволили оценить адсорбцию углерода и кремния и ряд других характеристик расплавов. Состав поверхностного слоя эвтектических Fe,C - расплавов мало отличается от состава объема и может быть описан формулой FeyC, у>2. В поверхностном слое присутствуют квазимолекулы FeO в количестве, зависящем от содержания кислорода в объеме. Состав поверхностного слоя Fe.C.Si - расплавов может быть описан как совокупность двух квазимолекулярных образований FeyC и FezSi, где y,z>2.
Практическая ценность. Результаты комплексного исследования структуры и свойств высокоуглеродистых сплавов в жидком и твердом состояниях явились основой разработанных процессов термовременной обработки расплавов.
Применение разработанных технологий подготовки равновесного расплава перед модифицированием чугуна позволило повысить его качество. Реализация ТВО расплава в технологию способствовала измельчению структуры и повышению механических свойств твердых образцов. Модифицирование расплава после ТВО является наиболее эффективным, так как графитные включения принимают шаровидную форму, механические свойства твердого металла улучшаются.
Практические рекомендации по совершенствованию подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования использованы на Уральском автомобильном заводе (г. Миасс).
На защиту выносятся следующие основные положения:
- результаты исследований временных, температурных и концентрационных зависимостей плотности и поверхностного натяжения расплавов систем Fe-C и Fe-C-Si, а также расплавов промышленного чугуна, в том числе:
осциллирующий характер временных зависимостей поверхностного натяжения и плотности как модельных сплавов Fe-C, Fe-C-Si, так и промышленных чугунов;
значения температурных и концентрационных коэффициентов политерм и изотерм поверхностного натяжения сплавов Fe-C и Fe-C-Si;
сведения о составе поверхностных слоев изученных сплавов;
практические рекомендации по совершенствованию подготовки расплава чугуна к процессу его модифицирования на основе комплексного исследования его физических свойств.
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 3 научных статьях, доложены на 4 конференциях, приняты в печать 3 статьи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 146 страницах, включает 29 рисунков, 13 таблиц и список используемой литературы, содержащий 119 наименований.