Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Несмотря на то, что чугун является одним из древнейших литейных материалов, многие вопросы формирования структуры и свойств изготавливаемых из него отливок остаются до настоящего времени открытыми. В частности, это вопросы, касающиеся проблемы нестабильности и высокой дефектности структуры получаемых из них отливок, снижающей эффективность литейного производства и являющейся основным сдерживающим фактором широкого внедрения в нашей стране перспективных чугунов, особенно высокопрочных чугунов с аустенитной, аустенитно-бейнитной, перлитной и ферритной металлической матрицей, а также чугунов с вермикулярным графитом.
Структурообразование чугунов исследовано в многочисленных трудах отечественных и зарубежных учёных-литейщиков и металловедов (Рубцов Н.Н., Гиршович Н.Г., Гуляев Б.Б., Баландин Г.Ф., Жуков А.А., Косников Г.А., Силь-ман Г.И., Любченко А.П., Давыдов С.В., Ри Х., Курганов В.А., Захарченко Э.В., Таран Ю.Н., Бунин К.П., Неижко И.Г., Вертман А.А., Самарин А.М., Леках С.Н., Худокормов Д.Н., Арсентьев П.П., Барышев Е.Е., Морро Х., Тургдоган Е., Ска-ланд Т. и многие другие). Однако, как неоднократно отмечалось ранее (Голь-дштейн Я.Е., Баум Б.А., Гаврилин И.В., Уббелоде А.), производственная практика модифицирования сплавов постоянно опережала и опережает теорию, что определяет актуальность научных исследований в этой области.
Наибольшую сложность представляет изучение структурообразования реальных чугунов в расплавленном состоянии. Сложность обусловлена много-компонентностью их состава, включающего, как правило, не менее 7 регламентируемых (Fe, C, Si, Mn, Cr, S, P) элементов и как минимум одного не регламентируемого (О) с различными типами химических связей. Она также связана с ограниченностью экспериментальных методов исследований процессов, протекающих при температурах выше 1100 C. Дополнительную сложность для анализа проблемы в последние годы создаёт обилие в научно-технической печати ограниченной и односторонней информации, размещаемой в рамках конкурентной борьбы производителями оборудования и материалов для приготовления расплавов и иллюстрирующей только достоинства данной продукции.
Накопленная к настоящему времени практика модифицирования поставила ряд вопросов: почему в одних и тех же условиях, при одном и том же регламентируемом составе лигатур и технологий их применения часто получаются сильно различающиеся результаты модифицирования, приводящие к недопустимым дефектам структуры и свойств отливок, перерасходу материальных и энергетических ресурсов, низкой эффективности литейного производства. В чугунолитейном производстве, где изготавливается наибольшее количество литых заготовок, эта проблема стоит особенно остро и требует немедленного решения, пока отечественного производителя не потеснили китайские, индийские и другие активно развивающиеся конкуренты.
В настоящее время нет единой теории модифицирования, теоретически разработаны различные частные механизмы модифицирования и соответствующие им определённые наборы химических элементов модификаторов. В результате существует свыше десятка моделей модифицирования чугунных расплавов,
свыше 500 типов различных модификаторов, содержащих от 2-3 до полутора десятков элементов, что не только не решает, но и создаёт дополнительные трудности для разработки стабильной промышленной технологии.
В то же время синтез последних достижений науки в области исследований структурообразования расплавов, систематизированных к настоящему времени Никитиным В.И. знаний по явлению структурной наследственности (ЯСН) литых изделий, результатов новейших исследований в направлении, которое в настоящее время по предложению Жучкова В.И. принято называть «металловедение ферросплавов», даёт возможность с новых позиций подойти к решению указанной проблемы.
Актуальность темы подтверждена включением в планы НИОКР ведущих
литейных предприятий машиностроения, таких как ОАО «КАМАЗ-
Металлургия», ЗАО «МРК» ОАО «ММК», ОАО «АЛНАС», ООО «ССМ-Тяжмаш» и других, ведущих отечественных производителей модификаторов, таких как ООО «НПП Технология», ООО «МеталлТехноПром», ООО «НЭК им. Э.Н. Корниенко», а также организацией специализированной ежегодной научно-производственной конференции по указанным проблемам «Литейный консилиум» (Челябинск – Миасс – Екатеринбург, 2006-2013 г. г.).
Цель диссертационной работы
Разработка и совершенствование составов, строения, технологий изготовления и применения модификаторов для обеспечения стабилизации на заданном уровне структуры и свойств чугунных отливок ответственного назначения.
Задачи диссертационной работы
-
Исследования влияния строения и микросостава сфероидизирующих модификаторов на строение и свойства отливок из высокопрочных чугунов.
-
Исследование процессов структурообразования расплавов нелегированных и легированных чугунов с пластинчатым, шаровидным и вермикулярным графитом при нагреве и охлаждении в области температур, реализуемых в литейном производстве.
-
Структурные исследования в твёрдом и расплавленном состояниях известных и разработанных литых модификаторов на Fe-Si и Fe-Ni основах.
-
Разработка метода повышения стабильности модифицирования структуры отливок высокопрочных чугунов.
-
Разработка метода нейтрализации модификаторами наследственных элементов структуры чугунных расплавов (ЭСЧР).
-
Разработка требований к качеству литых модификаторов высокопрочных чугунов, обеспечивающих повышение стабильности результатов модифицирования, и разработка и совершенствование на их основе составов и строения модификаторов.
-
Разработка и совершенствование способов и технологий изготовления модификаторов и модифицирования литейных чугунных расплавов.
-
Разработка и совершенствование составов литейных чугунов, получаемых с помощью разработанных модификаторов и технологий модифицирования.
-
Разработка и совершенствование методик исследования количественного химического анализа модификаторов, модифицирующей способности модификаторов, микроструктуры модификаторов и чугунов компьютерными
методами количественной металлографии, а также вязкости и структурооб-разования расплавов модификаторов и чугунов. 10. Лабораторная и промышленная апробация результатов исследования и внедрение результатов работы в действующее производство.
Научная новизна диссертационной работы
-
Выявлено и научно обосновано влияние микроструктуры модификаторов на кристаллизацию чугунов, предложены модели кристаллизаций феррита, аустенита и графита чугуна, обусловленных ЭСЧР, унаследованными от фазовых составляющих модификаторов на Fe-Si-Mg и Fe-Ni-Mg основе.
-
Установлены закономерности формирования структуры лигатур на Fe-Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе под воздействием обработки их расплавов поверхностно-активными элементами (Bi+Te) и последующей ускоренной кристаллизации с центрифугированием расплава.
-
Разработан метод повышения стабильности модифицирования высокопрочных чугунов, включающий предварительную нейтрализацию их структурной наследственности карбонатами ЩЗМ по технологии, зависящей от прочности связей углерода в шихтовых материалах, и последующую обработку модификаторами, обладающими структурой, обеспечивающей их специфическую микронеоднородность (насыщение их необходимыми ЭСЧР), являющуюся функцией требуемой микроструктуры графита и матрицы отливок, а также параметров литейной технологии.
-
В развитие квазихимической и квазиполикристаллической моделей микронеоднородного строения расплавов установлены закономерности влияния исходного микростроения промышленных и модельных конструкционных и легированных чугунов, а также модификаторов на Fe-Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе на характеристики процесса структурообразования их расплавов.
-
Разработан механизм нейтрализации карбонатами ЩЗМ Fe-C-кластеров за счёт синергетического эффекта от образования, роста и перемещения газовых пузырьков оксидов углерода {СО2+CO}, обеспечивающих создание микрооднородного состояния расплава чугуна без применения высокотемпературной термической обработки (ВТОР).
-
Установлены связи характеристик микроструктуры и микросостава модификаторов на Fe-Si основе с их дробимостью и интенсивностью флуоресценции их элементов при рентгеновском облучении, обеспечивающие оптимизацию методик количественного химического анализа (КХА) их состава рентгеноспектральным методом с необходимой для литейного производства точностью.
-
Установлены закономерности поведения статистических характеристик количественных параметров микроструктуры графита чугунов и основных фаз модификаторов на Fe-Ni-Mg и Fe-Si-Mg основе, вычисляемых с помощью программного обеспечения ImageExpert Pro 3 в зависимости от условий получения и обработки цифровых моделей микроструктуры.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Получены многочисленные статистически достоверные результаты исследований строения, а также физических, физико-механических, технологических и потребительских свойств известных и новых модификаторов чугунов
в твёрдом и расплавленном состоянии.
-
Разработаны составы и технические условия на сфероидизирующие модификаторы чугунов нового поколения на Fe-Ni основе, технологии их изготовления (защищены патентом РФ №2277589) и применения, а также составы сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов чугунов на Fe-Si основе (защищены Евразийским патентом №008521) и технологии их изготовления и применения.
-
Разработаны составы рафинирующе-модифицирующих смесей (защищены Евразийским патентом №012637) и технологии обработки расплавов чугу-нов ваграночного, дугового, индукционного процессов карбонатами ЩЗМ, обеспечивающих приведение их в микрооднородное состояние перед гра-фитизирующим и сфероидизирующим модифицированием.
-
Разработаны составы экономно легированных ростоустойчивых износостойких литейных чугунов аустенитного класса (защищены патентами РФ №2404278 и №2444578) и технологии их модифицирования сфероидизиру-ющими модификаторами нового поколения на Fe-Ni основе, а также составы термостойких износостойких литейных чугунов с шаровидным графитом ферритного класса, упрочнённых карбидами титана (защищены патентом РФ №2119547), и технологии их модифицирования сфероидизирующими модификаторами нового поколения на Fe-Si основе.
-
Разработан энергосберегающий способ получения качественного микрооднородного литейного расплава из дисперсных отходов, в частности из чугунной стружки, без дополнительных обработок, таких как ВТОР, обработка карбонатами ЩЗМ и т.п. (защищён патентом РФ №72227).
-
Разработаны методики определения эффективности модификаторов и стабильности процесса модифицирования, обеспечивающего гарантированное получение структуры чугуна в отливках, методики контроля химического состава модификаторов на Fe-Si-Mg основе рентгеноспектральным методом, впервые учитывающие влияние их структуры на дробимость во время подготовки проб-излучателей и флуоресценцию элементов при рентгеновском облучении, а также методики контроля характеристик микроструктуры графита чугунов и активных структурных составляющих литых модификаторов компьютерными методами количественной металлографии.
Результаты работы внедрены с получением по состоянию на 01.06.2012 экономического эффекта более 31 млн. руб.
Личный вклад соискателя
Исследования проводились совместно с литейными и ферросплавными предприятиями России от Череповца до Иркутска на научно-исследовательских базах Санкт-Петербурга, Москвы, Елабуги, Набережных Челнов, Ижевска, Челябинска и Екатеринбурга. Автором лично выбрано научно-техническое направление, поставлены цель и задачи исследований, разработаны и сформулированы основные положения, выводы и рекомендации. Все представленные в работе оригинальные исследования и испытания организованы автором и выполнены при его непосредственном участии. Автор выражает благодарность всем, кто помогал в проведении и обсуждении результатов экспериментов и испытаний, а также во внедрении результатов разработок.
Апробация диссертационной работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX и X съездах литейщиков России (г. Уфа – 2009, г. Казань – 2011), III и IV российских научно-практических совещаниях «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (г. Самара, 2010, 2012), VI, VIII и IX всероссийских научно-практических конференциях «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2006, 2010 и 2012), II научно-практической конференции «Заготовительные производства предприятий волго-вятского региона» (г. Нижний Новгород, 2010), международной конференции «Высокопрочный чугун с шаровидной и вермикулярной формой графита – металл будущего» (г. Наб. Челны, 2010), V международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (г. Минск, 2010), международной научно-технической конференции «Образование и наука – производству» (г. Наб. Челны, 2010), IV и V международных конференциях «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (г. Москва, 2005 и 2007), Литейных консилиумах №1 и №2 (г. Челябинск, 2006 и 2007), XV научно-практическом семинаре «Аналитика-2007» (г. Санкт-Петербург, 2007), международном научно-техническом совещании «Внепечная обработка литейных сплавов и экология литейного производства» (г. Минск, 2004), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надёжности технологических, энергетических и транспортных машин» (г. Самара, 2003), международных научно-технических конференциях «Механика машиностроения» (г. Наб. Челны, 1995 и 1997) и международной научно-технической конференции «Молодая наука – новому тысячелетию» (г. Наб. Челны, 1996).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 79 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, в 27 журналах, включённых в перечень ВАК РФ. Получены 7 патентов.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация в виде рукописи на 337 страницах содержит введение, 6 глав, заключение, включает 93 рисунка, 61 таблицу, библиографический список из 263 источников, а также имеет 21 приложение на 31 странице.
