Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1. Анализ способов выплавки стали для фасонного литья 7
1.1.1. Выплавка стали в мартеновской печи 7
1.1.2. Выплавка стали в дуговых электропечах 8
1.1.3. Выплавка стали в индукционных печах 11
1.2. Анализ технологических факторов, влияющих на образование горячих
трещин в отливках 14
1.3 Влияние химического -состава на механические свойства и
трещиноустойчивость углеродистой стали 20
1.4. Влияние неметаллических включений на механические свойства стали и трещиноустойчивость 26
1.5. Влияние обработки расплава кальцием на механические свойства сталей, морфологию и удаление неметаллических включений 31
1.6 Анализ условий работы шлаковых чаш 36
Глава 2. Методика проведения исследований. оборудование и материалы 39
2.1. Шихтовые материалы и выплавка сплавов 39
2.2. Оборудование, использованное в работе 40
2.3. Метод компьютерного моделирования и анализ литейных процессов 42
2.4 Методика построения математических моделей, определение долей влияния вводимых добавок 43
Глава 3. Совершенствование литейной технологии изготовления отливки «шлаковая чаша» 45
3.1. Анализ условий работы отливки «Шлаковая чаша» 45
3.2 Исследование физико-механических свойств углеродистой стали марки 25Л 49
3.3. Моделирование процессов заливки и кристаллизации отливки представителя «Шлаковая чаша» 55
Глава 4. Изучение технологии выпавки и внепечнои обработки стали марки 25Л 68
4.1. Исследование влияния алюминия на образование неметаллических включений и содержание кислорода в металле 70
4.2. Исследование влияния алюминия на механические свойства литой заготовки из углеродистой стали 80
4.3. Исследование влияния обработки расплава порошковой проволокой с различными наполнителями на природу неметаллических включений 83
4.4. Разработка рекомендаций для определения необходимого количества
кальция в зависимости от содержания алюминия и серы в металле 99
Глава 5. Совершенствование технологии выплавки углеродистых сталей в дуговых сталеплавильных печах
5.1. Анализ существующей технологии выплавки углеродистых сталей 103
5.2. Разработка технологии диффузионного раскисления стали
в восстановительный период плавки 112
5.3. Опытно-промышленное опробование результатов работы 123
5.4. Выводы по работе 125
Библиографический список 127
- Выплавка стали в мартеновской печи
- Метод компьютерного моделирования и анализ литейных процессов
- Моделирование процессов заливки и кристаллизации отливки представителя «Шлаковая чаша»
- Исследование влияния алюминия на механические свойства литой заготовки из углеродистой стали
Введение к работе
Актуальность работы. Первостепенной задачей литейного производства является обеспечение надёжности и долговечности узлов металлургических агрегатов, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Значительная доля отливок, применяющихся в узлах металлургических агрегатов, изготавливается из различных сплавов методом литья. Как правило, узлы металлургических агрегатов работают в условиях действия высоких температур, больших нагрузок.
Использование в качестве материала отливки только жаропрочных сплавов приведёт к резкому удорожанию продукции, что недопустимо в условиях финансовой обстановки, сложившейся в настоящее время. Кроме того, литые заготовки для узлов металлургических агрегатов в большинстве случаев относятся к третьей и четвёртой группам отливок по массе (крупные, очень крупные), в силу чего на их поверхности часто образуются горячие трещины. Предотвращение процесса трещинообразования крупных отливок является актуальной задачей.
Одной из деталей, работающих в подобных условиях, является шлаковая чаша. Жидкий шлак из плавильного агрегата сливают в неё при температуре выше 1200 С. После транспортировки чаши со шлаком на отвал, производят её выбивку при помощи копра весом более 5 т. В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» (МРК) шлаковые чаши отливают для кислородно-конвертерного, доменного и электросталеплавильного цехов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК).
Детали, применяющиеся в агрегатах металлургической промышленности, значительно отличаются показателями эксплуатационной стойкости, несмотря на то, что изготовлены в одном цехе, из одного сплава, по одной технологии. К примеру, эксплуатационная стойкость шлаковых чаш, отлитых из углеродистой стали, в среднем колеблется от 320 до 650 наливов в кислородно-конвертерном и электросталеплавильном цехах и от 1200 до 1850 – в доменном.
Между технологическим процессом изготовления литых деталей и показателями эксплуатационной стойкости существует зависимость. На каждом этапе технологической цепочки производства отливки действуют внешние и внутренние факторы, которые оказывают прямое или косвенное влияние на эксплуатационную стойкость. Выплавка металла, литейная технология оказывают влияние на механические свойства литой заготовки, появление литых дефектов, которые, в свою очередь, предопределяют эксплуатационную стойкость деталей. Чтобы нивелировать эти факторы, необходимо исследовать их и научиться преодолевать.
В процессе производства чаш механические свойства углеродистой стали являются нестабильными, кроме того, на поверхности часто образуются горячие трещины. Заваренные литые трещины, при дальнейшей эксплуатации чаши в металлургическом цикле, являются зонами образования дефекта, а также причинами снижения эксплуатационной стойкости.
В связи с этим, совершенствование технологии производства отливок и выплавки металла с целью повышения качества стальных отливок из углеродистой стали, а также предотвращение образования горячих трещин на крупногабаритных отливках, образующихся в процессе кристаллизации, являются актуальными задачами литейного производства.
Цель работы: повышение качества крупных стальных отливок путём совершенствования технологии производства отливки и выплавки стали.
Для достижения этой цели решали следующие задачи:
1. Анализ существующей технологии производства крупных стальных отливок.
2. Совершенствование литниковой системы, применяющейся для заливки форм шлаковых чаш.
3. Расчёт показателя трещиноустойчивости, позволяющий оценить деформационно-напряжённое состояние отливки в период кристаллизации.
4. Изучение влияния химического состава стали на морфологию и количественные характеристики неметаллических включения (НВ), а также механические свойства литой заготовки.
5. Совершенствование технологии проведения восстановительного периода при выплавке стали в дуговой электропечи путём использования тонкодисперсных раскислительных смесей.
Научная новизна работы:
1. На основе экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предложен и определён показатель трещиноустойчивости металла отливки в температурном интервале хрупкости, позволяющий оценивать деформационно-напряженное состояние в период кристаллизации и прогнозировать возможность возникновения горячих трещин.
2. Путём компьютерного моделирования и теоретических расчётов установлен критический градиент температур в металле отливки, равный 98 С, приводящий к образованию горячих трещин на отливках из стали марки 25Л в процессе кристаллизации.
2. Экспериментально установлены рациональные пределы изменения соотношения остаточных концентраций кальция к алюминию для стали марки 25Л. При отношении концентраций кальция и алюминия в интервале 0,02 – 0,04 в сплаве образуются включения, близкие по составу к 12СаО7Al2O3 в жидком виде, которые хорошо удаляются на поверхность металла, что приводит к повышению свойств стали на 6 – 13 % и снижению загрязненности неметаллическими включениями.
Практическая ценность работы:
1. Усовершенствована существующая литниковая система, применяющаяся в литейном цехе для заливки форм шлаковых чаш.
2. Получены и уточнены значения физико-механических свойств (предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение) углеродистой стали марки 25Л до и после обработки порошковой проволокой с кальцийсодержащим наполнителем.
3. Получены значения степени десульфурации до и после обработки стали раскислительными смесями в восстановительный период плавки.
4. Сформулированы рекомендации для определения расхода кальцийсодержащего материала в зависимости от содержания серы и алюминия в сплаве.
Производственное опробование
В литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» изготовили опытную партию шлаковых чаш с применением рекомендаций, разработанных в ходе выполнения работы. На шлаковых чашах опытной партии отсутствуют поверхностные литые дефекты в виде горячих трещин. Величины механических свойств полученных деталей превышают средние значения заготовок, отлитых по существующей технологии, на 6 – 13 %. В настоящей момент экспериментальные чаши находятся в эксплуатации в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 68, 69, 70й научно–технических конференциях, г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг.; 2-х международных научно-технических конференциях: молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск, 2010, 2011 гг.; на конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс», г. Магнитогорск, 2010, 2011 гг.; «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.; на Всероссийской научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства», г. Самара, 2012 г.; ХII конгрессе сталеплавильщиков, г. Выкса, 2012 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных статей, из них 6 – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся:
1. Конструкция усовершенствованной литниковой системы, применяющейся для заливки шлаковых чаш.
2. Результаты исследований влияния температуры металла на физико-механические свойства (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительно сужение) углеродистой стали.
3. Результаты исследований по комплексному влиянию алюминия и кальция на тип и морфологию неметаллических включений, а также на механические свойства литых заготовок, отлитых из углеродистой стали.
4. Результаты исследований влияния различного соотношения остаточного содержания кальция к алюминию в металле на тип, морфологию и количественные характеристики неметаллических включений в металле.
5. Результаты исследования влияния раскислительных смесей МКрс 19 и МКрс 21 на процесс десульфурации углеродистой стали марки 25Л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 113 наименований, 1 приложения. Текст диссертационной работы изложен на 137 страницах машинописного текста, иллюстрирован 34 рисунками, 25 таблицами.
Личный вклад автора. Все представленные в работе экспериментальные результаты получены автором самостоятельно. Исследования проводились в лабораторных и промышленных условиях, были разработаны методы и методики проведения экспериментов.
Выплавка стали в мартеновской печи
Индукционные тигельные печи (типа ИСТ) с основной или кислой футеровкой используются для выплавки сталей в литейных цехах с небольшим объёмом производства [1]. Индукционные плавильные печи различают со стальным сердечником и без него [10]. Плавильные печи со стальным сердечником бывают с открытым горизонтальным каналом, с закрытым вертикальным или горизонтальным каналом. Печи со стальным сердечником широко применяются для плавки металлов с относительно низкой температурой плавления (медь, цинк и др.) [4].
Для плавки металла с высокой температурой плавления (сталь, никель и др.) применяются печи без стального сердечника. Основными узлами этих печей являются футеровка (важнейшей частью которой является тигель), индуктор и каркас [4].
По частоте тока источника питания печи ИТП подразделяются на печи промышленной (низкой) частоты (50-60 Гц); средней (повышенной) частоты (150 - 450 Гц) и высокой частоты (1000 - 3000 Гц) с частотными преобразователями [6].
Основной частью футеровки является тигель, образующий плавильное пространство печи. В зависимости от металлургического процесса применяют кислые или основные огнеупорные материалы [5].
Кислую футеровку изготавливают из кварцевого песка или кварцита. Она дешевле основной футеровки, обладает более высокой термостойкостью, характеризуется меньшей тепло- и электропроводностью. Срок службы тиглей из кислых материалов длительнее. Вместе с тем, кислая футеровка восстанавливается многими элементами, входящими в состав легированной стали, и поэтому на металлургических заводах находит ограниченное применение [11].
Для основной футеровки обычно применяют порошок магнезита, реже -порошок, полученный из отходов хромомагнезитовых кирпичей. В некоторых случаях для изготовления тиглей используют технический глинозём или цир-коновый песок. В качестве связующих применяют борную кислоту, жидкое стекло, огнеупорную глину и другие вещества [11].
Также используют нейтральные огнеупорные материалы для футеровки индукционных печей. К нейтральным огнеупорным материалам относятся такие огнеупоры, для которых характерно преимущественное содержание амфо-терных оксидов алюминия, циркония, а также оксида хрома (корундовые, мул-литовые, хромитовые, цирконовые огнеупоры) [12]. Принцип действия индукционных печей заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию [13, 14]. Электрическая энергия индуктора передаётся шихте бесконтактно, а тепло выделяется непосредственно в шихте [1]. Электромагнитные силы, действующие в индукционных печах, возбуждают движение расплава, что способствует выравниванию температуры по всему объёму расплава и химического состава стали [15].
Основные преимущества индукционных плавильных перед дуговыми электропечами следующие [1]: 1. Угар легирующих элементов, присутствующих в шихте и ферросплавах, незначительный. 2. Хорошее перемешивание жидкого металла способствует выравниванию температуры по всему объёму ванны и обеспечивает большую однородность химического состава стали. 3. Нет науглероживания металла от электродов. Это позволяет переплавлять высоколегированные отходы без добавок низкоуглеродистой заготовки. 4. Высокая вязкость шлаков, их малая жидкоподвижность способствуют защите металла от проникновения газов (водорода, азота) из атмосферы. 5. Компактность самой печи позволяет помещать её в закрытые ёмкости, где возможно создавать не только необходимую атмосферу, но и вакуум, т.е. можно вести плавку и разливку металла под вакуумом. Недостатков у индукционных печей немного: 1. Трудность проведения процессов десульфурации и дефосфорации из-за высокой вязкости шлака и его низкой температуры. 2. Относительно невысокая стойкость футеровки. 3. Весьма высокий расход электроэнергии на плавку. Таким образом, не зависимо от применяемой футеровки (кислой, основной), нет возможности вести металлургические процессы. Крайне редко в литейных цехах используют электрошлаковый переплав [16] и некоторые другие способы выплавки, такие как: плазменно - дуговая, ваку умно - дуговая, вакуумно - индукционная плавка, электронно - лучевой переплав.
В литейном цехе Механоремонтного комплекса (МРК) выплавляют сталь в дуговой печи ёмкостью 25 т. Необходимость в использовании этой печи в качестве плавильного агрегата связана с загрязнённостью металлошихты серой и фосфором, в связи с чем существует необходимость в наведении шлака для рафинирования металла, чего нельзя сделать в индукционной печи. В противном случае, при ведении плавки без рафинирования шлаком в металле останется большое количество серы (более 0,025 %), что будет способствовать образованию горячих трещин и снижению качества производимых литых заготовок.
Склонность стали и отливок к образованию горячих трещин называется горячеломкостью, а способность стали сопротивляться образованию горячих трещин, т.е. выдерживать определённую степень затруднения усадки без разрушения, - трещиноустойчивостью [17].
Горячие трещины образуются при кристаллизации металла или при перегреве до температур, близких к линии солидуса. Поверхность трещины сильно окислена. Эти трещины обычно возникают в толстых местах отливки или в зонах перехода от толстых к тонким сечениям, так как именно в этих участках металл дольше всего находится при высоких температурах, т.е. имеет малую прочность [18]. Образование горячих трещин в стальных отливках зависит от свойств металла, технологии литейной формы и конструктивных особенностей фасонной отливки.
Метод компьютерного моделирования и анализ литейных процессов
Взвешивание шихтовых материалов осуществляли на весах для статического взвешивания модели ВСП - 5 (класс точности - средний по ГОСТ 29329 - 92). Контроль температуры осуществляли при помощи термоблока модели ТПР - 91 (ТУ 311-0226258.01 - 91). Содержание кислорода в металле до и после раскисления определяли при помощи прибора ТС - 600 фирмы «LECO» согласно ГОСТ 17745 - 90. После раскисления из ковша отбирали пробы для определения химического состава стали. Химический состав металла экспериментальных образцов определяли в центральной заводской лаборатории ОАО «ММК» ЗАО «МРК» спектральным методом анализа на спектрометрах: OBLF QSN 750 (ГОСТ 18895-97) и OBLF GS 1000 (ГОСТ 27611-88). Химический состав шлака определяли рентгеноспектральным методом на рентгенофлуорис-центном спектрометре «Tiger S8».
Испытания образцов на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497 - 87 при температуре 20 С на сервогидравлической машине LF ТТМ 600 со скоростью не более 1 мм/мин с записью диаграмм растяжения и фиксированием текущей и максимальной силы растяжения с точностью 1 Н. Перемещение фиксировали через 0,1 с точностью 0,01 мм.
Для испытаний использовали стандартные образцы диаметром 10 мм, с начальной расчетной рабочей длиной 10 = 100 ± 0,5 мм, ограниченной с погрешностью до 1 % рисками. Образцы изготавливали из специальной пробы методом механической (токарной) обработки. Результаты испытаний вычисляли как среднее трёх испытаний образцов для каждого химического состава образцов.
Определяли следующие механические характеристики: физический предел текучести стт; временное сопротивление ств; относительное равномерное удлинение 8; относительное сужение поперечного сечения \/. Испытательное оборудование и средства измерений соответствовали ГОСТ 1497-84.
Ударную вязкость определяли на лабораторном копре по ГОСТ 9454-78. Подготовку образцов для изготовления шлифа и дальнейшего исследования неметаллических включений осуществляли при помощи отрезного станка Delta Abrasimet 10 - 2155 - 4000, с целью получения образцов необходимых размеров. Для запрессовки металлического образца в смолу, с целью последующего изготовления шлифа, использовали станок Simplimet 1000. Изготовление шлифов осуществляли при помощи системы шлифоподготовки Phoenix 4000.
Изучение неметаллических включений проводили при помощи оптического микроскопа Meiji Techno при увеличениях от 100 до 1000 крат с использованием системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO. Изображение микроструктуры с помощью цифровой камеры вводили в компьютер и затем анализировали с применением специализированных программ. При этом использовали методики, адаптированные в соответствии с требованиями ГОСТ 5639-82 и 8233-82.
Химический состав неметаллических включений изучали при помощи сканирующего электронного микроскопа JSM - 6490 LV.
Изучение полного спектра неметаллических включений в исследуемых образцах осуществляли при помощи рентгенографического фазового анализа, проводившегося на дифрактометре ДРОН-3 при напряжении 32 кВ, силе тока 10 мА и использованием Мо - кц излучения (с циркониевым фильтром) в режиме записи на потенциометре и автоматической регистрацией на ПК с помощью программы «DIFWIN1». Скорость съёмки VC4 = 2 град./мин. Съёмку осуществляли в диапазоне углов 10 - 50 с шагом отсечки 0,1, время экспозиции 10 с. Для установления природы фаз, присутствующих в системе, из общего ряда полученных значений dHKL выделили ряды, свойственные каждому включению в отдельности. Затем, сопоставляя их с табличными значениями и проиндециро-вав соответствующие максимумы, определяли составляющие включений. Идентификация неметаллических включений проводилась по данным таблиц источника [99]. Изучение механических свойств углеродистой стали в интервале температур от 20 до 1450 С проводили в соответствии с ГОСТ 1497 - 87 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» на высокотемпературной высоковакуумной экспериментальной установке по исследованию изменения микроструктуры и физико-механических свойств металлов и сплавов при деформационно-напряженном состоянии АЛА-ТОО (ИМАШ - 20 - 75) в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Для изучения структурных превращений углеродистой стали при нагреве и охлаждении использовали термоаналитический прибор для синхронного термического анализа STA (Iupiter 449 F3). Этот анализ позволяет одновременно при одном измерении образца проводить дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) и термогравиметрический анализ (ТГ). Методом ДСК фиксировали разность температур, которая пропорциональна разности теплового потока, возникающей между эталоном (для STA- пустой тигель) и образцом, находящимся в другом тигле из этого материала. В нашем случае материал тигля - аллунд. Методом термогравиметрии измеряли изменение массы образца в зависимости от температуры при определенных контролируемых условиях.
Все исследования проводились в атмосфере инертного газа - аргона, в условиях непрерывного нагрева образца в интервале температур 20 - 1000 С со скоростью 20 град/мин. Масса навески 0,2614 г.
Измерение линейных размеров образцов из стали марки 25Л при нагреве и охлаждении проводили на дилатометре DIL 402 С. Дилатометрическую кривую получили при нагреве и охлаждении образца со скоростью 20 град/мин.
Моделирование процессов заливки и кристаллизации отливки представителя «Шлаковая чаша»
Расстояние между питателями спроектировано равномерно по диаметру чаши и равно 890 мм. В той области, где находится питатель, образуется самая разогетая зона. Следовательно, за счёт действия вынужденной конвекции (при вытекании струи металла из пиатетля под действием гидростатического напора металла в стояке) слои металла, находящиеся над питателем, имееют более высокую температуру на расстоянии, равном половине высоты чаши.
В той части отливки, где питатели отсутствуют, слои металла нагреваются за счёт соседних слоев, располагающихся над питателями. Поэтому в этой области металл нагрет до температуры соседних слоев лишь на треть от высоты чаши [109].
В третьей условной зоне градиент температур не превышает 80 С. Характер условной линии перехода от одной темепературы к другой -волнистый и обусловлен теми же факторами, что и в предыдущем случае. В третей условной зоне отливки образование трещин не происходит. Отсутсвие трещин в этой части отливки обусловлено наличием в данной зоне упоров для шлаковозного кольца, которые затвердевают быстрее, чем стенка чаши и являются ребрами жёсткости для этой области отливки. Эти рёбра препятствуют действию растягивающих напряжений, образующихся в результате усадки сплава.
Таким образом, наиболее вероятной областью образования горячих трещин на отливках «Шлаковая чаша» является средняя часть чаши. Комплексное действие усадочных и термических напряжений, образующихся в процессе кристаллизации отливики в литейной форме, приводит к явному образованию горячих трещин в установленной области шлаковых чаш.
Исследовав существующую литниковую систему, применяющуюся для заливки форм шлаковых чаш, установили, что площадь поперечного сечения пи-тателя равна FnHT=12,l см . На один литниковый ход приходится 5 питателей. Тогда суммарная площадь поперечных сечений EFnHT = 60,5 см . Диаметр литника в этой же литниковой системе составляет 9 см. Площадь поперечного сечения соотвественно ровна шт = 63,6 см2. EFnHT Fn„T, следовательно, литниковая система является замкнутой. Соотношение суммарной площади питателей к площади литника составляет SFnHT : Fn.x= 1,0 : 1,05 [110].
В случае применения сужающейся литниковой системы для заполнения сплавом формы лимитирующим звеном расхода жидкого металла является питатель. Истечение стали из питателя происходит с большой скоростью, есть вероятность, что образуется «фонтан» металла. Следствием этого является неравномерное распределение температуры по высоте чаши.
Из работ [22, 17] установили, что для крупного стального литья применяют расширяющиеся литниковые системы. В таких литниковых системах скорость потока расплава в каналах постепенно снижается, и жидкий металл поступает в полость формы спокойно, без разбрызгивания. При разливке стали из стопорного ковша, когда струя расплава падает в форму с большой скоростью, требование спокойного заполнения является определяющим. В этом случае возникает опасность неполного заполнения каналов литниковой системы, особенно литникового хода и питателей.
Существующая литниковая система, применяющаяся для заливки форм шлаковых чаш, включает в свою конструкцию элементы сифонного подвода металла, которые обеспечивают заполнение полости формы под затопленный уровень. В этом случае даже при применении расширяющейся литниковой системы литниковый ход и питатели оказываются всегда заполненными, как при использовании сужающейся литниковой системы [17].
Изменяя параметры литниковой системы, проводили моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «Шлаковая чаша» до того момента, пока не получили наиболее равномерное распределение температур по длине отливки.
Установили, что наиболее рациональной, с точки зрения равномерного распределения температуры, является расширяющаяся литниковая система со следующими параметрами: FnHT = 32 см2; FnHT=160 см2 ; лх= 63,6 см2;
В предложенной литниковой системе изменили форму питателей, сделав их элептическими, расширяющимися кверху, с целью снижения скорости истечения потока расплава на входе в полость формы, тем самым обеспечив более равномерное распределение температурных полей. Предложенные питатели представлены на рис. 3.10.
Цветовая схема распределения температур по высоте отливки, полученная путём моделирования заливки формы через изменённую литниковую систему, а также изменённая литниковая система, представлены на рис. 3.11.
Из представленного рис. 3.11 видно, что практически по всей высоте чаши отсутсвует градиент температур, чему способствует более спокойное заполнение расплавом формы через расширяющуюся литниковую систему.
Перепад температур имеется в третей условной области отливки (вблизи питателей). Но вероятность образования трещин в этой области, по описанным выше причинам, не существенна [111].
Для оценки эффективности литниковой системы ввели показатель трещи-ноустойчивости (пт), позволяющий оценить деформационно-напряжённое состояние отливки в момент кристаллизации в форме, а также вероятность образования кристаллизационных трещин в определённых участках отливки в зависимости от выбранных технологических параметров литейной технологии производства детали.
Исследование влияния алюминия на механические свойства литой заготовки из углеродистой стали
Проанализировав зависимости, представленные на рис. 4.10, выявили, что максимальное повышение величин ударной вязкости и предела прочности наблюдается до отношения остаточного кальция к алюминию в металле, равного 0,04. Дальнейшее увеличение этого соотношения приводит к незначительному снижению механических свойств и перерасходу порошковой проволоки на 25 -30 %, что нецелесообразно с экономической точки зрения.
Для изучения неметаллических включений, образующихся при различном отношении остаточного кальция к алюминию, провели металлографический анализ образцов на сканирующем электронном микроскопе. Параллельно проводили количественный анализ включений при помощи лицензионного программного обеспечения Thixomet Pro и рентгенофазовый анализ.
Изучали образцы, полученные после проведения экспериментов в литейном цехе, из трёх различных областей по отношению концентрации кальция в металле к алюминию: 0,00 - 0,02; 0,02 - 0,04; 0,04 - 0,06. Данные, полученные в ходе исследований, представлены в табл. 4.10 и на рис. 4.12.
Проанализировав данные табл. 4.10 и рис. 4.12, установили, что при обработке углеродистой стали марки 25Л порошковой проволокой с кальцийсодер-жащим наполнителем происходит уменьшение объёмной доли включений (V, %), числа включений (N) и средней площади (А). Следует отметить, что наибольшее количество включений (20 - 30 %) удаляется из металла при отношении концентрации остаточного кальция к алюминию в интервале 0,02 - 0,04. При отношении кальция к алюминию в металле до 0,02 из металла удаляется приблизительно от 2 до 11 % включений от их первоначального количества. Дальнейшее увеличение отношения кальция к алюминию в металле ( 0,04) не привело к значительному уменьшению величин их концентрации и объёмной доли. В большинстве случаев величина объёмной доли включений осталась на прежнем уровне и редко снижалась на 2 - 3 %. Количество включений также оставалось на прежнем уровне, в некоторых случаях повышаясь на 4 - 6 %, в отдельных случаях снижаясь на 2 - 5 %. Таблица 4.10
Зависимость объёмной доли (а), числа НВ (б) и среднего расстояния между ними (в) от соотношения Са/А1 : 1 - [А1] = 0,02; 2 - [А1] = 0,04; 3 - [А1] = 0,08 Средняя площадь включений, при отношении кальция к алюминию 0,02, уменьшается на 3 - 7 %. Часто величина данной количественной характеристики при Са/А1 0,02 остаётся на прежнем уровне. При отношении Са/А1, находящимся в пределах 0,02 - 0,04, средняя площадь включений уменьшается на 11 - 22 %. При увеличении отношения Са/А1 0,04, наряду с незначительным уменьшением средней площади, часто наблюдали её увеличение на 5 - 9 %.
Средняя длина включений непрерывно увеличивалась до отношения концентрации кальция к алюминию в пределах 0,02 - 0,04 включительно. Вероятнее всего, именно это вызвало более интенсивное всплывание включений и снижение величин их объёмной доли и количества. При дальнейшем увеличении этого отношения средняя длина включений практически во всех проводимых экспериментах уменьшалась. Аналогичную ситуацию наблюдали в отношении среднего расстояния между включениями.
После проведения рентгенографического фазового анализа образцов, а также исследований на электронном сканирующем микроскопе установили состав неметаллических включений, образующихся при различном отношении остаточного кальция в металле к алюминию.
Из представленных на рис. 4.13 рентгенограмм видно, что при отношении концентрации кальция в металле к алюминию, находящемся в пределах до 0,02, образуются включения корунда (А120з) и сульфида марганца (MnS). Кроме указанных включений, также образуются включения типа СаО Si02 (силикат кальция) и СаО А120з (однокальциевый алюминат). Наличие включений корунда в свободной форме обуславливает низкие механические свойства литой заготовки (ав 510 МПа).
Кроме того, из литературных источников установили, что включения находятся в твёрдом состоянии. В случае отношения остаточной концентрации кальция к алюминию в металле в пределах 0,02 - 0,04 также образуется силикат кальция, включение типа 2СаО А12Оз (двухкальциевый алюминат), 4СаО ЗА120з (четырёхкальциевый триалюминат), 12СаО 7А120з (двенадцати-кальциевый алюминат).
Рентгенограммы исследуемых образцов с различным отношением концентрации кальция к алюминию: а - до 0,02; б - 0,02 - 0,04; в - 0,04 - 0,06 При отношении остаточного кальция к алюминию более 0,04 в опытных образцах обнаружили следующие включения: СаО А1203 2Si02 (однокальцие-вый алюмосиликат), CaS (сульфид кальция), СаО (оксид кальция), 4СаО ЗАЬОз (четырёхкальциевый алюминат) и сложное соединение типа 10CaO-4Al2O3-CaS.
Анализируя типы образовавшихся неметаллических включений при различном соотношении кальция и алюминия в металле, установили, что при отношении менее 0,02 кальция недостаточно для того, чтобы полностью исключить присутствие корунда в свободном виде. Кроме того, выделяются также сульфиды марганца, которые в процессе затвердевания металла остаются в литой заготовке. При отношении концентраций кальция и алюминия в интервале 0,02 - 0,04 в опытных образцах не обнаружили оксид алюминия. Вместо корунда в свободном виде образуются соединения двухкальциевого алюмината и че-тырёхкальциевого триалюмината. Кроме того, обнаружили включения, по составу близкие к 12СаО 7А120з, которые при температурах сталеварения находятся в жидком состоянии [81]. При образовании неметаллических включений в жидком агрегатном состоянии при температурах сталеварения происходит их слияние, укрупнение и, следовательно, более интенсивное всплывание на зеркало металла. В случае отношения кальция к алюминию более 0,04 происходит более глубокое раскисление металла, а также его десульфурация, что подтверждается наличием в опытных образцах оксидов и сульфидов кальция. Кроме того, сульфид кальция начинает обволакивать алюминаты кальция, что препятствует образованию наиболее благоприятных с точки зрения удаления включений типа 12СаО 7А12Оз. Вместо этого образуются твёрдые включения типа ЮСаО 4А1203 CaS, которые всплывают менее интенсивно, чем жидкие включения, результатом чего является незначительное снижение механических свойств. Характеристики некоторых неметаллических включений, обнаруженных в результате проведения рентгенофазового анализа, представлены в табл. 4.11.
