Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование особенностей эксплуатации деталей стеклоформ и пути повьпдения их стойкости . 11
1.1 Особенности стекла как синтетического материала 11
1.2 Условия эксплуатации и основные причины низкой стойкости деталей стеклоформ . 14
1.3 Оценка свойств материалов для изготовления деталей стеклоформ и пути повышения их эксплуатационной стойкости. 19
1.4 Микролегирование как метод управления свойствами и структурообразованием чу гунов. 28
1.5 Влияние скорости затвердевания и модифицирования расплава на морфологию графита в чугуне 33
Выводы 37
Глава 2. Методика проведения исследований . 40
2.1 Выбор и подготовка образцов для исследования. 40
2.2 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна. 41
2.3 Разработка технологической пробы на отбел. 41
2.4 Определение химического состава. 42
2.5 Изучение механических свойств. 42
2.6 Термоциклирование. 43
2.7 Методика исследования окалиностойкости чугунов . 44
2.8 Определение теплопроводности 45
2.9 Исследование комплексного влияния скорости затвердевания расплава чугуна и навески сфероидизирующего модификатора на морфологию графита в отливках. 45
2.10 Исследование процесса затвердевания отливок и методика его компьютерного моделирования. з
Глава 3. Исследование механизма влиш-шя характера теплообмена между отливкой и формой на структуру и свойства чутунов .49
3.1 Особенности теплообмена между отливкой и формой 49
3.2 Расчет скорости затвердевания отливки при различных режимах охлаждения. Математическая модель процесса затвердевания отливки. 56
3.3 Исследование влияния скорости затвердевания и коэффициента теплопередачи на формирование микроструктуры и свойств деталей стеклоформ . 64
3.4 Повышение эффективности модифицирования чугуна для отливок стеклоформ посредством интенсификации процесса графитообразования 70
3.5 Разработка модели для расчета величины отбела как фактора, зависящего от скорости затвердевания. 73
Выводы. 77
Глава 4. Получение заданного структурного состояния и свойств деталей стеклоформ из СЧПГ за счет микролегирования и управления технологическими параметрами изготовления отливок . 79
4.1 Исследование структурных изменений в чугунах для деталей стеклоформ в ходе их эксплуатации. 79
4.2 Требования к структуре низколегированных СЧПГ для деталей стеклоформ . 83
4.3 Разработка легирующего комплекса и оптимизация химического состава низколегированного термостойкого чугуна для деталей стеклоформ. 84
4.4 Подбор режима термической обработки литых заготовок для деталей стеклоформ. 94
4.5 Разработка технологии получения низколегированного термостойкого чугуна для деталей стеклоформ. 96
Выводы 103
Глава 5. Разработка эффективной технологии получения отливок из термостойкого чвг с заданной структурой и комплексом свойств для деталей стеклоформ 105
5.1 Анализ технологических процессов получения ЧВГ 105
5.2 Экспериментальные исследования по получению заданного структурного состояния и свойств деталей стеклоформ из ЧВГ 110
5.3 Совершенствование технологии получения ЧВГ в проговодственных условиях 123
Выводы 131
Основные выводы 133
Список использованной литературы
- Условия эксплуатации и основные причины низкой стойкости деталей стеклоформ
- Методика исследования окалиностойкости чугунов
- Исследование влияния скорости затвердевания и коэффициента теплопередачи на формирование микроструктуры и свойств деталей стеклоформ
- Требования к структуре низколегированных СЧПГ для деталей стеклоформ
Введение к работе
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 ДжР., Гладштейн И.Е., Кушнир М.А., Биргер И.А., Сильвестрович СИ., 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 путём применения микролегирования и модифицирования чугунов с учётом комбинированного влияния различных технологических параметров.
В соответствии с поставленной целью определены конкретные задачи исследования:
-
Анализ особенностей эксплуатации деталей стеклоформ и выявление факторов, влияющих на их стойкость; оценка эксплуатационных свойств материалов для деталей стеклоформ.
-
Проведение систематизации и обобщения современных теоретических и экспериментально-промышленных данных в области модифицирования и легирования чугуна.
-
Исследование влияния углеродного эквивалента на ростоустойчивость, термо-и окалиностойкость чугунов, дополнительно легированных Мо, Ті, Сг и V.
-
Разработка технологических методов, обеспечивающих получение заданного сочетания структурных составляющих чугуна.
-
Исследование влияния комплексного легирования и модифицирования на особенности формирования структуры отливок из низколегированных чугунов при различных условиях затвердевания.
-
Проведение компьютерного моделирования процесса кристаллизации чугуна.
-
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.
-
Разработка на основе результатов исследования технической документации на термостойкие сплавы и внедрение их в производство.
Научная новизна работы:
-
Разработаны рекомендации на химические составы чугунов, обладающих высокой стойкостью к термической усталости при комплексном термомеханическом воздействии.
-
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.
-
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,l%Si и достигает максимума при 0,4...0,6%Мо. 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.
-
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.
-
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 НВ, с прелом прочности ав=360.. .430 МПа и факторе формы графита на уровне 0,48.
-
Выявлены причины появления дефекта "апельсиновая корка", возникающего на рабочей поверхности стеклоформ в процессе их эксплуатации. Даны рекомендации по предупреждению подобного дефекта при получении отливок.
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:
-
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.
-
Разработан и внедрен в технологической инструкции ЗАО "Завод "Флакс-Орел" ТИ 75665846.2501053.00009 процесс выплавки чугуна высокого качества с применением стружечных отходов и его ТВО.
-
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.
-
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.
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.
Условия эксплуатации и основные причины низкой стойкости деталей стеклоформ
Стекло является одним из важнейших искусственных материалов, прочно вошедших в быт, культуру и технику людей. Стеклом называются аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел.
Стекловидные материалы являются изотропными, а процесс кристаллизации стекол всегда является экзотермическим [1].
Одним из важнейших технологических свойств, отличающих стекло от других материалов, является способность поддаваться самым разнообразным способам формования без нарушения целостности изготавливаемого изделия. При этом самым распространенным способом изготовления полых стеклянных изделий, за счет своей производительности и широкого спектра возможных вариантов изделий, является выдувание. Этот способ формования является специфичным для стекла, так как его применение возможно благодаря определешюлгу сочетанию вязкости и поверхностного натяжения расплавленного стекла. Выдуванием изготавливают практически все полые стеклянные изделия, составляющие около одной трети всей вырабатываемой стеклянной продукции [2]. При этом наиболее распространенным способом получения узкогорлой стеклянной тары является прессовыдувной процесс (Narrow Neck Press & Blow) [3].
Процесс формования стекла, находящегося в пластичном состоянии, разделяется на две стадии: образование формы и ее закрепление. Первая стадия - придание материалу конфигурации, свойственной изделию данного назначения. Вторая стадия имеет целью зафиксировать придашгую форму [4].
В стекольном производстве обе стадии процесса формования базируются на использовании вязкости стекломассы и ее зависимости от температуры. Так, доводя температуру сваренного стекла до того или иного значения, можно обеспечить степень пластичности стекломассы, наиболее удобную для выбранного способа формования. Роль поверхностного натяжения в процессе выдувания стеклянных изделий является также весьма значительной. Здесь поверхностное натяжение выступает как важнейший фактор формообразования, который позволяет получить так называемую "пульку" из вязкой стекломассы (рисунок 1.1). Пулька является первичной заготовкой для последующего выдувания стеклянной тары. В современных автоматических питателях стеклоформующих машин поверхностное натяжение выступает как главный фактор, без которого невозможно придать подаваемой в машину порции стекла необходимую форму.
Рис. 1.1. Заготовки ("пульки") перед выдуванием стеклянной бутылки (слева) и готовые изделия (справа) на одной из секций стеклоформующей машины
Однако зависимость вязкости и поверхностного натяжения стекломассы от ее температуры имеет и отрицательные стороны, одной из которых является сложность поддержания необходимого температурного режима стеклоформ из-за резкого изменения пластичности стекломассы при ничтожно малом изменении температуры.
Поэтому при формовании стеклоизделий необходимо постоянство устанавливаемого температурно-временного режима. В каждом отдельном случае должен быть разработан оптимальный температурный режим не только самой заготовки, но и формового комплекта. При этом температурная область, в которой происходит весь процесс формования, должна быть близка к пределу, при котором кривая вязкости дает крутой изгиб (800...1000С) [1], что необходимо для того, чтобы получаемая форма стекломассы закрепилась как можно скорее.
При формовании стекломассы тесно переплетаются явления теплопроводности деталей формового комплекта и течения стекломассы, вязкость которой изменяется в широких пределах. В производственных условиях превращение расплавленной стекломассы в готовое изделие характеризуется непрерывным увеличением вязкости.
Зависимость вязкости стекломассы от ее температуры (Т) может быть выражена уравнением, предложенным Фулхером и Тамманом [5]:
Рабочий интервал вязкости устанавливает пределы изменения вязкости стекломассы при формовании до момента, когда внешний слой изделия затвердевает настолько, что препятствует деформации изделия. Время прохождения рабочего интервала вязкости характеризует продолжительность формования. Таким образом, с повышением теплопроводности материала формы повышается не только ее эксплуатационная стойкость, но и интенсивность отвода тепла от стекломассы, что сокращает цикл формования изделия, повышая производительность стеклоформующих автоматов.
Сказанное выше подтверждает тот факт, что разработка режима формования - задача сложная, во многом зависящая от теплофизичсских свойств материала формового комплекта. Тепловой режим формовых комплектов оказывает также значительное влияние на качество стеклоизделий. При отклонении температуры форм в сторону перегрева на изделиях возникают так называемые пороки «горячего хода» (прилипание стекла к формам, разрывы, деформация изделий). При пониженной температуре форм на изделиях возникают пороки «холодного хода» (посечки, складки, кованость и др.) [2]. Рабочий интервал нагрева форм лежит между этими двумя отклонениями и зависит от различных факторов: материала форм, конфигурации изделия, массы изделия и толщины его стенок, химического состава стекла (таблица 1.1), скорости работы стеклоформующей машины.
Формооснастка - это совокупность деталей, характеризующих формовой комплект для получения стеклоизделий, обеспечивающая создание стеклоупаковки от капли расплавленного стекла до конкретной бутылки, банки, флакона и т.п.
Массовое производство узкогорлой тары и других видов стеклянных изделий осуществляется на высокопроизводительных автоматических машинах.
Капля вязкой стекломассы с температурой 900...1200С, отрезанная ножницами питателя, через направляющую воронку поступает в закрытую черновую форму 4, установленную горлом вниз (рисунок 1.3а). Для заполнения пространства между вігутренней поверхностью горлового кольца 2 и плунжером 6 на стекломассу в форме давят сверху сжатътм воздухом с помощью прессующей головки 7, которая опускается на черновую форлгу после подачи капли стекломассы, - происходит формование горла (венчика) изделия. В период выхода плунжера из отверстия для начального дутья внутренняя часть горла разогревается теплом стекломассы. Подаваемый в отверстие сжатый воздух выдувает пульку. После этого черновая форма раскрывается и пулька с температурой 600...800С в горловых кольцах поворачивается на 180 и устанавливается в чистовую форму 1 с поддоном 3, где происходит окончательное выдувание изделия.
Этим способом вырабатывают изделия различной вместимости с учетом потребностей пищевой, медицинской, парфюмерной и химической промышленности.
В условиях перехода стеклозаводов на новые высокопроизводительные секционные стеклоавтоматы резко ужесточились требования к минимальному количеству съемов стеклоизделий в пересчете на один формокомплект, которые составляют не менее 1 млн. штук.
При этом на данный момент стойкость деталей стеклоформ, зависящая от режима работы стекловыдувных автоматов и скорости попадания расплавленного стекла во внутреннюю полость формокомплекта, не превышает 0,55 млн. стеклоизделий с одной формы, что не удовлетворяет современным требованиям производства.
Механизм термоусталостного разрушения деталей является достаточно сложным и его изучению посвящены работы [6-Ю], в которых изложены следующие основные закономерности этого процесса:
Методика исследования окалиностойкости чугунов
Технологические пробы на отбел отбирают в процессе доводки металла с целью определения необходимости его корректировки для обеспечения заданных структурных параметров. Пробу отбирают после полного расплавления шихты и ферросплавов, проведения ТВО.
Форму, изготовлешгую из стержневой смеси и прогретую до 40...50С, устанавливают на металлическую плиту с температурой 150...250С. Плита не должна иметь дефектов на рабочей поверхности и располагаться строго горизонтально. Назначение плиты -отбеливать технологическую пробу, моделируя, тем самым, действие холодильников в процессе кристаллизации отливок стеклоформ.
Общий вид литейной формы технологической пробы представлен на рисунке 2.1. Заливка форм производится из специальной ложки соответствующей емкости. Ложка перед заливкой формы должна быть очищена от остатков металла и шлака, обмазана глиной и просушена до прекращения парения. песчаная форма
После заливки пробы ее выдерживают в форме в течение 5 минут, затем выбивают, счищают пригар и помещают на 2 минуты под струю сжатого воздуха. Затем охлаждают пробу до температуры окружающей среды окунанием в холодную воду. После этого пробу разбивают на две части и излом изучают под лампой искусственного дневного освещения.
Определяют глубину отбела при помощи линейки с точность до 1 мм от торца до первых ясно различимых графитовых включений. Химический состав образцов определялся методом атомной абсорбционной спектрометрии AAS (магний) и рентгено-флуоресцентного анализа XFR (остальные элементы, кроме С и S). Содержание С и S определяли на анализаторе Leco CS-230.
Измерение твердости (по шкале Бринелля) проводилось согласно ГОСТ 9012-59 "Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю", устанавливающему последовательность и условия проведения измерения твердости. Испытания проводились на твердомере мод. ТБ 2109 индентором 05 мм.
Твердость измеряли на темплетах толщиной 10...12 мм, вырезанных из отливок, на различном расстоянии от поверхности, формируемой холодильником, через интервал в 12±1 мм (рисунок 2.2). Места замера
Технологическая ступенчатая проба для определения зависимости твердости от толщины стенки отливки Предел прочности на растяжение определяли согласно ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение", устанавливающему условия проведения и методы испытаний металлов на растяжение. Испытания производили на разрывной машине МИРИ-500К с записью диаграммы нагружения и разрушения. Образцы для определения предела прочности вырезались из центральной части отливок стеклоформ.
Обычным способом испытания материалов на термическую усталость является испытание образцов в условиях жесткого нагружения при пилообразном изменении температуры [22]. В этих условиях вследствие малого времени пребывания образца при максимальной нагрузке и температуре ползучесть материала и обуславливаемая ею релаксация напряжений проявляются слабо.
Оценка термической стойкости чугунов при легировании Mo, Si, Ті, Сг проводилась в лабораторных условиях на цилиндрических образцах 0 10 мм (ГОСТ 25.505-85 "Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении"). Проведенный анализ литературных данных [15] позволил принять следующие режимы термоциклических испытаний: - максимальная температура цикла 750С - минимальная температура цикла 60С - скорость ншрева 20С/с - скорость охлаждения 13С/с Оценка термостойкости осуществлялась по количеству циклов до появления первых разгарных трещин, видимых невооруженным глазом. Исследовали также количество и ширину микротрещин на единице длины, равной 10 мм.
Окалиностойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 "Металлы. Методы определения жаростойкости" весовым методом по увеличению массы образца при его выдержке в камерной высокотемпературной печи в среде атмосферного воздуха в течение 50 часов при температуре 650С. Масса образцов была измерена до и после испытания с точностью до 0,1 мг.
Количественную оценку окалиностойкости осуществляли по весовому показателю, выраженному в г/м2, за заданный период времени по формуле: S (2.1) где Ag - увеличение массы образца за данное время, полученное прямыми испытаниями или экстраполяцией опытных данных, г; S - площадь поверхности образца, м2; t - время испытаний, ч. 2.8 Определение теплопроводности Теплопроводность образцов определялась на приборе QL-10 методом теплового потока, в соответствии с которым теплопроводность есть отношение теплового потока к градиенту температур. Измерения проводились при комнатной температуре на образцах 050x25 мм.
В рамках исследования была проведена работа, направленная на повышение скорости затвердевания расплава чугуна для отливок стеклоформ с целью получения шаровидного графита при снижении расхода сфероидизирующего модификатора. В качестве источника отвода избытка тепла с поверхности отливки применялись металлические холодильники, материалом которых служил серый чугун марок СЧ20-СЧ40.
В качестве объектов исследования были выбраны: 1. изменчивость графитовой фазы чугуна в температурном поле затвердевания отливки; 2. комплексное влияние на процесс глобуляризации графитовой фазы в расплаве чугуна: скорости затвердевания отливки и расхода модификатора; 3. способность повышения эффективности модифицирования посредством интенсификации процесса графитообразования. В экспериментах исследовали влияние скорости затвердевания расплава на эффективность сфероидизирующего модифицирования чугуна следующего химического состава, %: 3,4...3,5 С; 2,3...2,5 Si; 0,2...0,4 Мп. Содержание вредных примесей (S и Р) ограничивалось 0,02 и 0,03 % соответственно.
В качестве сфероидизирующей лигатуры использовался сплав, состав которого представлен в таблице 2.1. Интервал варьирования модификатором составлял 0,4-0,9% от массы жидкого чугуна.
Исследование влияния скорости затвердевания и коэффициента теплопередачи на формирование микроструктуры и свойств деталей стеклоформ
Установлено, что кремний способствует образованию крупных и грубых графитовых включений, уменьшает влияние скорости охлаждения на структуру чугуна, препятствуя переохлаждению. Поэтому для получения в отливках переохлажденного графита целесообразно понижение содержания кремния в чугуне. Пониженное содержание кремния позволяет также ослабить процесс графитизации чугуна при нагреве, продлевая тем самым срок эксплуатации изделий. Однако на практике установлено, что содержание кремния в отливке не должно быть ниже 1,5% во избежание появления в структуре чугуна структурно-свободного цементита.
Чугун, дополнительно легированный хромом и титаном, обладает повышенной термостойкостью [130]. При этом наибольшее ее значение наблюдается при содержании в чугуне 0,10...0,12%Ti и 0,2%Сг (при l,92%Si и 0,48%Мо). Титан, согласно [75], является основным элементом, способствующим формированию переохлажденного точечного графита в поверхностном слое отливок, что значительно повышает термостойкость образцов.
Молено также заметить (рисунок 4.4) 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 графита типа D по всей толщине исследуемых образцов. Поэтому повышение содержания хрома более 0,3% в чугуне является нецелесообразным.
На основании проведенных исследований была выбрана серия из пяти чугунных образцов с различным химическим составом (таблица 4.3). Помимо легирования Мо, Ті, Сг, в чугун для повышения механических свойств дополнительно вводили Ni, V и Си, оказывающие положительное стабилизирующее воздействие на матрицу и графит чугуна. Эти элемешы способствуют повышению предела прочности чугуна. Исследования также показали, что медь в чугуне улучшает его обрабатываемость резанием, а таюке способствует устранению ледебурипюго отбела и измельченшо эвтектической структуры, значительно повышает теплопроводность чугуна. Как элементы, снижающие склонность чугуна к отбелу, что позволяет легировать его повышенными количествами карбидообразующих элементов (Мо, V, Сг), медь и никель наиболее эффективны [66].
Все исследуемые образцы были подвергнуты отжигу при температуре 950С в течение 4 часов с целью разложения цементита, повышения обрабатываемости чугуна и снятия остаточных литейных напряжений. Микроструктура исследуемых образцов на глубине 15 мм от поверхности, формируемой холодильником, представлена на рисунке 4.5.
Анализируя микроструктуры полученных образцов, можно заметить, что размеры графитовых включений в образцах, полученных из легированных чугунов (в особенности, чугунов 2, 5 и 4), значительно меньше графитовых включений в образце из нелегированного чугуна /, что является закономерным следствием комплексного влияния титана, молибдена, никеля, ванадия и меди.
В ходе дополнительных испытаний образцы подвергались циклическим тепловым нагрузкам. При этом показателем термостойкости служило количество циклов, которое выдержал образец до появления первых разгарных трещин. Температурный перепад при испытании составлял 750/60С.
Графит, наблюдаемый в структуре сплава, образуется в процессе эвтектической реакции, поэтому снижение температуры начала эвтектического превращения, а также интервала эвтектического превращения, увеличивает переохлаждение, создавая предпосылки формирования мелкодисперсного точечного графита.
Также немаловажным фактором получения мелкодисперсной структуры в рабочем слое отливок является обеспечение высокой скорости кристаллизации расплава, что достигалось применением внешних холодильников.
В ходе исследований установлено также положительное влияние на стабильность объема чугуна и повышение его термостойкости легирования алюминием. В окислительной атмосфере на поверхности деталей образуется плотный слой АЬОз, предохраняющий металл от дальнейшего окисления, коррозии. При этом алюминий повышает теплопроводность чугуна, а также уменьшает величину отбела. Ввод алюминия способствовал увеличению степени графитизации, уменьшению размера графитовых включений.
Однако содержание в чугуне, легированном титаном, алюминия в количестве более 0,1% способствует снижению степени переохлаждения и формированию газовой пористости и газовых раковин (рисунок 4.6) в отливках, что особенно опасно для серых чугунов ввиду их низкого поверхностного натяжения и, соответственно, большей склонности к образованию газовой пористости. Источниками, увеличивающими остаточное содержание алюминия в чугуне, являются ферросилиций и скрап из раскисленной алюминием стали. Поэтому при выплавке чугуна, легированного титаном, необходим тщательный контроль применяемых шихтовых материалов и химического состава чугуна.
Высокое содержание серы способствует отбеливанию чугуна и отрицательно сказывается на качестве газопорошковой наплавки. Предельное содержание серы в низколегированном СЧПГ, не оказывающее отрицательного влияния на качество наплавки материала стеклоформ, составило 0,05%.
В чугунах при термоциклическом воздействии некоторые процессы (окисление, графитизация), протекающие с увеличением массы и объема, необратимы. Поэтому важным этапом исследовательской работы было изучение окалиностойкосга и ростоустоичивости чугунов и их зависимости от содержания углерода и кремния. От углеродного эквивалента зависит интенсивность процесса обезуглероживания, при котором, как было установлено ранее, в ходе длительного высокотемпературного воздействия образуются пустоты, заполняемые продуїстами окисления чугуна - изменяется масса и размеры исследуемых образцов. В таблице 4.5 приведены свойства и параметры структуры исследуемых чугунов. Повышения содержания перлита в чугунах добивались вводом меди и олова в установленных количествах.
Требования к структуре низколегированных СЧПГ для деталей стеклоформ
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 определяет использовать данный чугун лишь в качестве материала для чистовых стеклоформ. Все образцы характеризуются увеличением доли шаровидного графита на участках непосредственно прилегающих к "рабочей" поверхности.
Исследования микроструктур на глубине 5 и 10 мм от рабочей поверхности показали, что разницы в структурах на данных глубинах (по каждому из образцов) практически нет, в то время как структура областей, прилегающих к внешней поверхности отливок, значительно более грубая и крупная (данное наблюдение характерно для всех исследованных образцов).
Так же было установлено, что химический состав образцов отличается друг от друга, различия особенно заметны в содержании С, Si, Mg, а также S. Подобные отклонения состава оказывают заметное влияние, как на микроструктуру образцов, так и на их свойства. Однако твердость всех исследованных образцов находилась в пределах 174-197 НВ, что соответствует требованиям стеклотарных заводов и значениям, регламентируемым ОСТ 21-75-88 "Формовые комплекты для стеклоформующих машин. Общие технические условия".
В рамках исследований была подготовлена и реализована программа работ по отработке технологии выплавки и оптимизации химического состава низколегированного ферритного чугуна с вермикулярным графитом для деталей чистовых стеклоформ.
Чугун выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,4/0,32 емкостью 400 кг. Запивка производилась с модифицированием чугуна в ковше емкостью 50 кг модификатором, состав которого представлен в таблице 3.3, фракцией 1-5 мм. Оптимальное количество вводимого модификатора определяли, исходя из экспериментально определенной динамики роста количества шаровидного графита в структуре чугуна (рисунок 3.23).
Температура выпуска металла из печи составляла 1430...1450С. Для стабилизации шлакообразования использовался кварцевый песок (ГОСТ 2138-91), вводимый в расплав в количестве не более 2% от массы шихты. В качестве карбюризатора применяли бой графитовых электродов. Массу карбюризатора увеличивали на 5-8% с учетом расхода части его на раскисление металла. Модифицирование осуществляли по следующей технологии: сфероидизирующий модификатор помещался на дно разливочного ковша перед его наполнеігаем и накрывался стальной высечкой или сухой мелкой чугунной стружкой, 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.
В качестве термостойкого материала для деталей стеклоформ был определен низколегированный чугун следующего состава: 3,4...3,7%С, 2,3...2,7%Si, 0,2...0,4%Мп, до 0,02%S, до 0,04%Р, до 0,15%Сг, 0,2...0,5%№, 0,2...0,4%Мо, до 0,3%Cu, 0,01...0,02%Mg (заводская марка ЧФ-8).
Шихта состояла из литейного чугуна марки ЛЗ гр.1, лома стального марки 1А, возврата производства, боя графитовых электродов, ферросплавов.
Основываясь на полученных данных, было принято решение о применении в качестве графитизирующего модификатора ферросиликобария марки ФС65Ба4. Применение ФС65Ба4 приводит к формированию пассивных центров ірафитизации. При этом достигается уменьшение размеров графитовых включений и увеличение их количества. Модификатор вводился в ковш. Время заполнения ковша расплавом выдерживали в пределах 20...30 с при неустоявшемся режиме заливки.
В ходе исследовательской работы была установлена зависимость степени десульфурации от содержания в чугуне РЗМ и титана, представленная на рисунке 5.18. График дает четкое представление о том, что РЗМ являются гораздо более сильным десульфуратором, по сравнению с титаном. Однако применение РЗМ в таком количестве, как уже упоминалось, приводит к формированию в чугуне чанкового графита. 0.02і. в S 0.03,
