Введение к работе
Актуальность проблемы. Во всех промышленно развитых странах наблюдается тенденция к росту производства отливок из высокопрочного чугуна. Основным методом сфероидизирующей обработки является магниевый-процесс, требующий высокой чистоты расплава чугуна по примесям, специальных способов и устройств для безопасного ввода модификатора и уменьшения вредных выделений.
Наряду с магниевыми имеются РЗМ-содержащие модификаторы, основным преимуществом которых является простота обработки и спокойный ввод в расплав чугуна без пироэффекта и дымовыделения. В настоящее время в связи с конверсией производства имеются свободные мощности по производству лигатур редкоземельных металлов. Однако более широкому использованию РЗМ препятствует низкая стабильность процесса получения графита заданной формы, что в значительной степени связано с недостаточной изученностью механизма воздействия РЗМ на характер эвтектического превращения при кристаллизации чугуна, определяющей в значительной мере его структуру и свойства.
Характер эвтектического превращения такко зависит от наличия примесей в чугуне. Наиболее обсуждаемой и до конца не выясненной является роль серы в этом процессе. Одни исследователи считают ев отбеливающим элементом, другие - относят к числу графитиэаторов. Спорным остается вопрос о совместном влиянии примесных элементов и РЗМ на формирование структуры чугуна.
В известных работах по определению присадки РЗМ, необходимой для получения ЧШГ, не учитывается влияние скорости охлаждения.
Поэтому для управления качеством отливок из высокопрочного чугуна необходимо учитывать совокупность факторов, связанных с приро-
дой модификаторов, скоростью охлаждения, наличием примесей в расплаве чугуна.
Цель работы. Выявление роли РЗМ в процессе формирования графита в чистых по примесям чугунах и в присутствии серы при различных скоростях охлаждения и разработка основ более эколо'гически чистой технологии производства отливок из высокопрочного чугуна с учетом содержания примесей в расплаве и скорости охлаждения.
Научная новизна работы. Предложен механизм формирования шаровидного графита при сфероидизирующем модифицировании чугуна различной степени чистоты редкоземельными элементами. Показано, что РЗМ оказывают влияние как на зарождение, так и на условия роста кристаллов графита в чугуне.
Впервые проведены термодинамические расчеты по определению условий образования различных типов соединений РЗМ с серой и кислородом. Показано, что при температуре обработки в расплаве образуются сульфиды и оксисульфиды РЗМ, которые стабильны при температурах, превышающих температуру начала кристаллизации чугуна. Проведенный анализ плотностей и кристаллических решеток соединений показал, что они могут служить подложками для зарождения графита, что подтверждено результатами дифференциального термического и микрорентгено-спектрального анализа.
Рассчитаны коэффициенты активности и диффузии углерода в зависимости от количества РЗМ и концентрации серы в чугуне.
Предложены зависимости по определению количества РЗМ с учетом содержания серы и и скорости охлаждения чугуна.
Показано, что присутствие серы существенно изменяет характер эвтектической кристаллизации чугунов. Выявлен механизм воздействия серы на графитизацию. Он связан с накоплением серы вблизи межфазной
границы из-за низкого коэффициента распределения и повышением активности и коэффициента диффузии углерода в чугуне.
Практическая значимость. Предложен и опробован в производственных условиях более экологически чистый технологический процесс производства отливок из высокопрочного чугуна, обеспечивающий стабильное получение шаровидного графита с использованием РЗМ при концентрациях серы, не превышающих О, і %. Полученные результаты открывают перспективы для использования более дешевые шихтовых материалов для определенной номенклатуры отливок.
Предложены формулы для расчета оптимальных количеств РЗМ, необходимых для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с.учетом содержания примесей и скорости охлаждения.
Полученные зависимости по влиянию скорости охлаждения на количество РЗМ, необходимое для сфероидизации графита, позволяют осуществить выбор состава лигатуры.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на V Республиканской научно-технической конференции " Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок " ( Днепропетровск, 1990); научно-технической конференции " Пути повышения качества и экономичности литейных процессов " (Одесса. 1992 ); на 46-й научной конференции студентов и аспирантов МИСиС ( Москва, 1993) .
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи, 2 тезисов докладов.
Объем работа. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 156 источников и приложений.
Работа изложена на /»^?стр, машинописного текста и иллюстрирована S7 рисунками и ZS таблицами.