Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы повышения качества и свойств отливок из чугунов путем физико-химических и механических воздействий на расплавы 13
1.1 Классификация методов внешнего воздействия на расплавы металлических сплавов 13
1.2 Физическое воздействие на расплавы для повышения качества и свойств железоуглеродистых и других металлических сплавов 15
1.2.1 Термовременная и термоскоростная обработка жидких чугунов 15
1.2.2 Импульсное воздействие 17
1.2.3 Электромагнитное воздействие 20
1.2.4 Метод электровзрывного воздействия 22
1.2.5 Вибрация 23
1.2.6 Ультразвуковое воздействие 24
1.2.7 Перемешивание 28
1.3 Выводы и постановка задач исследования 33
Глава 2 Методики и объекты исследований 35
2.1 Схема и методика облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) 35
2.2 Методика определения кристаллизационных параметров гамма-проникающим излучением 36
2.3 Стандартные методы исследования структур и свойств металлов 37
2.4 Методики измерения физических свойств 38
2.4.1 Измерение теплопроводности 38
2.4.2 Измерение электросопротивления 39
2.4.3 Измерение плотности 41
2.5 Методики определения эксплуатационных свойств 41
2.5.1 Измерение э/саростойкости с применением дериватографа 41
2.5.2 Исследование коррозионностойкости 42
2.5.3 Исследование износостойкости 43
2.6 Микрорентгеноспектральный анализ 44
Глава 3 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ (ПОН) на его строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов 45
3.1 Низкокремнистый серый чугун 45
3.2 Среднекремнистый серый чугун 59
3.3 Высококремнистый серый чугун 60
3.4 Исследование влияния температуры облучения на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов 67
3.5 Выводы 69
Глава 4 Исследование влияния продолжительности облучения расплавов НЭМИ и последующего модифицирования их кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна СЧ 20 72
4.1 Кристаллизация и структурообразование 72
4.2 Физико-механические свойства 81
4.3 Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида при воздействии на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами 84
4.4 Выводы 90
Глава 5 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурами (СИМИШ-1 и ФСМг-6) чугунов 95
5.1 Влияние лигатуры СИМИШ-1 на кристаллизационные параметры и процесс структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна 95
5.2 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурой СИМИШ-1 чугунов 99
5.2.1 Кристаллизация и структурообразование 99
5.2.2 Физико-механические и эксплуатационные свойства 104
5.3 Исследование влияния продолжительности облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных лигатурой ФСМг-6 чугунов 108
5.3.1 Влияние лигатуры ФСМг-6 на кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов 109
5.3.2 Влияние продолжительности облучения расплавов НЭМИ на кристаллизационные параметры, структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных ФСМг-6 чугунов 112
5.3.2.1 Кристаллизация и структурообразование 112'
5.3.2.2 Физико-механические и эксплуатационные свойства 113
5.3.3 Исследование влияния облучения расплава НЭМИ и последующего модифицирования лигатурой АКЦе на процессы кристаллизации и свойства чугуна 123
5.4 Выводы 132
Список литературы 141
- Физическое воздействие на расплавы для повышения качества и свойств железоуглеродистых и других металлических сплавов
- Методика определения кристаллизационных параметров гамма-проникающим излучением
- Исследование влияния температуры облучения на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов
- Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида при воздействии на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами
Введение к работе
Изучению процесса структурообразования серых легированных чугунов посвящено много исследований [1-14]. В первую очередь следует назвать монографии Н.Н.Александрова и Н.И. Клочнева [12-14], К.П.Бунина, Я.Н. Малиночки, Ю.Н. Тарана [2], В.И. Мазура [3], Ю.Г. Бобро [4,5], Н.Г. Гиршовича [8], Е. Пивоварского [6,7], Ри Хосена [9-Ю], в которых вопросы металловедения и графитизации чугуна изложены фундаментально, раскрыты механизмы многих процессов и установлены взаимосвязи технологических параметров со структурой и свойствами чугуна. К наиболее важным качественным критериям литья относятся физико-механические свойства.
Одним из эффективных направлений решения проблемы повышения качества и свойств чугунных отливок является разработка технологии, основанной на использовании физико-химико-механических воздействий на кристаллизующиеся расплавы. В этом отношении представляет теоретический и практический интерес применение в процессах плавки наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ). Они образуют локальные поля высокой мощности и напряженности и тем самым создают условия для управления микроструктурой и комплексом свойств металлических сплавов.
Авторами работ [15-17] установлено, что облучение жидкой фазы НЭМИ в течение 10... 15 минут существенно изменяет физические свойства металлических расплавов (силуминов, бронзы, цинковых и магниевых) в жидком и твердом состояниях, повышает их физико-механические и эксплуатационные характеристики. Так например, теплопроводность этих сплавов при облучении расплавов НЭМИ в течение 10... 15 минут возрастает в 1,5...2,0 раза.
В связи с этим, представляет большой практический интерес проведение подобных исследований в чугунах с целью повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств.
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках:
Гранта Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края. Государственный контракт № 15-344 (2007 г.) «Разработка новой технологии плавки металлических сплавов (медных, алюминиевых, магниевых, чугунов) путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств»;
Тематики Института Материаловедения ХНЦ ДВО РАН «Методологические, физико-химические и технологические основы создания функциональных материалов и покрытий с мелкокристаллической и аморфной структурой при концентрированном энергетическом воздействии». № 020.0 602402 (2006 - 2008 гг.): № 1.3.08 «Исследование влияния облучения наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства литейных металлических сплавов».
Цель работы заключалась в исследовании влияния продолжительности облучения расплавов НЭМИ (ПОН) на процессы кристаллизации и структурообразования и разработке на этой основе технологии обработки расплава НЭМИ с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств белого, серого и высокопрочного чугунов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Исследование влияния продолжительности облучения НЭМИ (ПОН) расплава наносекундными электромагнитными импульсами на процессы кристаллизации и структурообразования, формирование физико-механических и эксплуатационных свойств низко-, средне- и высококремнистых серых чугунов.
Исследование процесса модифицирования чугуна кремнием с последующей обработкой расплава НЭМИ на кристаллизацию и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна.
Исследование влияния ПОН расплава и последующего модифицирования его кремнием на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугуна.
Исследование влияния ПОН расплава на кинетику и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида в модифицированных кремнием чугунах методом гамма-проникающих излучений.
Исследование влияния облучения расплава НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных лигатурами СИМИШ-1, ФСМг-6 и АКЦе.
Совершенствование технологии плавки чугунов с применением облучения расплавов НЭМИ для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.
Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые проведено
комплексное исследование влияния ПОН расплавов на процессы
кристаллизации и структурообразования, физико-механические
(теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства серого и модифицированных чугунов:
1. Установлена общая закономерность изменения кристаллизационных
(*л » ^э, t Ai» тэ, Tai, ~AJJj, — AJ3, — AJA1) параметров серых чугунов с различным содержанием кремния (1,0, 1,55, 2,0 мас.%). Для низкокремнистого чугуна увеличение ПОН расплава способствует повышению температуры начала кристаллизации аустенита и чугун становится менее эвтектичным. Для высококремнистого чугуна наблюдается, наоборот, снижение температуры начала кристаллизации аустенита и чугун становится более эвтектичным по мере увеличения ПОН расплава. При этом температуры начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида снижаются.
обработка расплава НЭМИ до определенной ПОН расплава до (15 мин.) способствует измельчению графитных включений, а при 20-минутном облучении низкокремнистый серый чугун отбеливается, в высококремнистых чугунах, наоборот, — росту количества и размеров графитных включений пластинчатой формы и ферритизации металлической основы;
максимальные значения теплопроводности низкокремнистого чугуна наблюдаются при ПОН расплава, равной 10 минутам, при этом теплопроводность возрастает в более чем 2,0 раза; среднекремнистого чугуна при ПОН расплава 5 минут она возрастает в 1,4 раза, а высококремнистого чугуна при ПОН расплава 15 минут она возрастает в 1,4...1,5 раз;
физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов изменяются по экстремальной зависимости от ПОН расплава; для достижения максимальных свойств* необходима определенная ПОН расплава.
2. Облучение расплава НЭМИ и последующее модифицирование
кремнием (ФС-45 в количестве 1,0, 2,0 и 3;0 мас.%) коренным образом
9 изменяют кристаллизационные параметры, структурообразованйе, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна:
увеличение ПОН расплава способствует к снижению температур начала кристаллизации аустенита (t„) и повышению температуры начала кристаллизации, эвтектики; при определенной ПОН расплава достигается эвтектический состав (при 1,0 мас.% ФС-45 - 20-минутном, при 2,0 мас.% ФС-45 -15-минутном и 3,0 мас.% - 10-минутном облучении расплава НЭМИ); при этом наблюдаются максимальные степень уплотнения расплава при эвтектическом превращении и время кристаллизации эвтектики; дано научное обоснование установленным зависимостям смещения состава сплава в сторону большей эвтектичности;
по мере увеличения ПОН расплава количество и размеры графитных включений возрастают до определенной продолжительности облучения (до 20 минут для чугуна с 1,0 мас.%, 15 минут для чугуна с 2,0 мас.% и 10 минут для чугуна с 3,0 мас.% ФС-45);
температура начала кристаллизации эвтектоида повышается по мере увеличения ПОН в чугунах с 1,0 и 2,0 мас.% ФС-45 (до 15-минутного облучения расплава), а в чугунах с 2,0 (при облучении более 15 мин) и 3,0 мас.%) ФС-45,наоборот, снижается; при этом наблюдаются максимумы степени уплотнения чугуна и времени кристаллизации эвтектоида;
для повышения теплопроводности модифицированных кремнием серых чугунов необходимо облучение расплавов в течение 5-10 мин. (в среднем возрастает теплопроводность в 1,44...1,57 раза) в зависимости от содержания кремния;
для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированных кремнием чугунов необходима определенная ПОН расплавов.
3. Установлено влияние ПОН расплава на кинетику и механизм
кристаллизации эвтектики и эвтектоида чугуна с различным содержанием кремния, дано научное обоснование установленным зависимостям.
4. Уточнены причины снижения теплопроводности высокопрочного
чугуна с шаровидным графитом по сравнению с серым чугуном и
установлено влияние ПОН расплава на процесс формирования
шаровидного графита, физико-механические и эксплуатационные
свойства модифицированных чугунов:
независимо от формы присутствия углерода (в виде цементита или графита) максимальная теплопроводность наблюдается при ПОН, равной 10...15 минут в зависимости от вида лигатур (СИМИПЫ, ФСМг-6, АКЦе);
повышение ПОН расплава (до и после модифицирования) более 10 минут создает неблагоприятные условия для формирования шаровидного графита; кратковременное облучение и последующее модифицирование - единственный путь повышения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, приближающейся к теплопроводности исходного немодифицированного чугуна;
основными причинами снижения теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются насыщение сплава основными компонентами лигатур (Si, Al, Са и др.) и загрязнение его неметаллическими включениями.
5. Для достижения максимальных физико-механических и
эксплуатационных свойств чугунов необходима определенная
продолжительность облучения расплавов НЭМИ.
Практическая значимость работы заключается в том, что использование полученных результатов позволило установить пути воздействия на процессы кристаллизации и структурообразования, дало возможность управления
физико-механическими и эксплуатационными свойствами не- и модифицированных чугунов, осуществляя выбор температуры и времени воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами. Для выявления дополнительных резервов повышения физико-механических и эксплуатационных свойств всех видов чугунов и других металлических сплавов предложена новая технология их плавки с дополнительным кратковременным облучением расплавов наносекундными электромагнитными импульсами. Получен диплом в номинации «Лучшая инновация года в литейном производстве» за разработку «Технологии плавки металлов и сплавов с использованием наносекундных электромагнитных импульсов» на XIII Международной выставке-конкурсе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» как лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения. 11-14 марта 2008 г., г. Санкт-Петербург.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на восьмом съезде литейщиков России (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.), а также VIII Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии 2007» (г. Хабаровск, 2007 г.), IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных статей. Получено 1 положительное решение на выдачу патента. Материалы диссертации приведены также в отчетах по Грантам и Программам, выполненным при участии автора.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Результаты исследования влияния продолжительности облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (ПОН) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов.
Результаты исследования влияния ПОН на процессы эвтектического и эвтектоидного превращения методом гамма-проникающих излучений.
Результаты влияния ПОН на характер распределения компонентов в различных структурных составляющих серого чугуна.
Результаты исследования влияния ПОН на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов, модифицированных сфероидизирующими графитные включения лигатурами.
Рекомендуемые технологии плавки серых и модифицированных чугунов для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.
Достоверность научных результатов.
Достоверность экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования металлов и сплавов.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит постановка отдельных задач исследования, проведение опытных плавок, изучение процессов кристаллизации и структурообразования, комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов, обработка и анализ полученных результатов и формулирование выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 1 таблицу, библиографию из 105 наименований.
Автор выражает признательность научному консультанту профессору, д.т.н. Ри Хосену, сотрудникам кафедры «Литейное производство и технология металлов» ТОГУ и работникам Института материаловедения ДВО РАН, оказавшим содействие при выполнении данной диссертационной работы.
Физическое воздействие на расплавы для повышения качества и свойств железоуглеродистых и других металлических сплавов
Работы М.Х. Шоршорова [24], Б.А. Баума, Г.В. Тягунова [23] и др. показали, что подготовка расплава к кристаллизации за счет уточнения режимов его термовременной обработки влияет на процесс затвердевания и способствует улучшению структуры и свойств литого металла. Создан ряд эффективных технологий термовременной обработки металла при производстве крупных слитков, отливок из чугунов и сталей, сплавов на железной, никелевой и алюминиевой основах и производстве различных лигатур. При. разработке указанных; технологий? эффект перегрева слитка проявляется; для каждого сплава?при соответствующих скоростях охлаждения жидкого металла и ускоренных режимах его кристаллизации:
Температурная; обработка; расплава; приводит к повышению степенш дисперсности: дендритной структуры,, изменению морфологии и: размеров? карбидов: и других, фазовых составляющих, уменьшению: физической № химической? неоднородности литош структуры, повышает, пластичность, жаропрочность, ж ряд других, качественных характеристик сплавов; [9, 11, 25 -29]; При общей тенденции? повышениям плотности- и вязкости; по мере-охлаждения? расплава наблюдается;; температурный- диапазон; в котором;; плотность скачкообразно изменяется [26]; По мнению авторов; температурный порог уплотнения (ТИУ) связан; со статистическим: упорядочением: при: охлаждениишсостатистическимразупорядочением расплавашри нагреве:
Высокотемпературный? тип структуры ближнего порядка, жидкойг фазы можно зафиксировать г путем быстрого охлаждения- расплава; перед заливкой5; (термоскоростнош обработкой);, поскольку скорость структурных превращений; в жидкой.фазе достаточно низкая несмотря на сравнительно большие скорости-процессов диффузии...
Увеличение скорости охлаждения расплава приводит к измельчению микроструктуры и повышению механических свойств. ТЄО жидкого чугуна; способствует также увеличению прочности на изгиб анзг.
Прш термоскоростнойі обработке жидких чугунов- значение ТИУ расплавов-смещается в сторону низких температур [26; 27]. При: повышении: скорости охлаждениям расплавов с 9 до 70Є/мин значение ТИУ снижается примерноша 70-г20С в,зависимости-от химического состава; Наличие ТИУ в. расплавах, изменение степени их предварительного перегрева; в сочетаниях с дальнейшим ускоренным охлаждением расплава позволяет, по-видимому, зафиксироватьч статистически равновесное состояние жидких чугунов; Это положение справедливо только в: том случае, если скорость структурного превращения, происходящего при ТПУ, будет низкой, несмотря на сравнительно большие скорости протекания многих кинетических и диффузионных процессов в жидком чугуне [11]. Для жидкого железа при переходе из одного структурного типа в другой время протекания процесса, фиксируемое по выходу на стабильные значения кинематической вязкости, углов смачивания и т.д., составляло 25-30 минут. Если предположить, что в жидких чугунах так же, как в жидком железе, скорость релаксации очень низка, то появляется принципиальная возможность получать жидкий чугун с высокотемпературным статистически разупорядоченным типом структуры при любой заданной температуре. Применением термоскоростной обработки расплава можно к моменту заливки расплава в форму фиксировать высоко- или низкотемпературный типы жидкой фазы. Получение мелкокристаллической структуры литого сплава путем ТСО является важным резервом повышения механических свойств отливок.
В настоящее время в ряде отраслей промышленности находят широкое применение технологические процессы, основанные на использовании концентрированных потоков электрической и магнитной энергии [49-51]. Эти методы характеризуются высокой импульсной мощностью, повышенным значением энергоносителя на единицу площади или объема металла и позволяют изменять внутреннюю структуру, а также выполнять формообразование металлов высокой прочности, больших толщин и размеров.
Применение технологий с концентрированными потоками энергии является одним из основных направлений интенсификации металлообработки. Электроимпульсные воздействия током и магнитным полем успешно применяются в установках магнитно-импульсной обработки, во многих процессах плавки, переплава и разливки металлов, а также для интенсификации процессов получения сплавов, обеспечивая при этом экономию топливно-энергетических ресурсов [52, 53].
Высокоэнергетическое воздействие на расплавы металлов с целью получения упругих колебаний основано на взаимодействии магнитного поля с электрическим током. С развитием техники больших импульсных токов и магнитных полей, разработкой промышленных образцов генераторов импульсных токов появилась возможность получать в расплаве упругие колебания с большой амплитудой. Это достигается путем подключения ГИТ к кристаллизующемуся металлу. Проходящие через расплав импульсные токи 103 - 105 ампер приводят к образованию импульсных электромагнитных сил Лоренца, которые влияют на процесс кристаллизации [51].
Известные представления о формировании кристаллических структур при электроимпульсном воздействии основаны на измельчении макро- и микроструктуры за счет перемешивания расплавов возникающими объемными электромагнитными силами. С помощью такого воздействия полностью подавляется развитие зоны столбчатых кристаллов, существенно измельчаются кристаллиты, заметно уменьшаются количество и размеры неметаллических включений. Известно, что направление объемных сил зависит от направления векторов плотности электрического тока и индукции магнитного поля. Поскольку электромагнитная сила распределена по объему расплава, то ее рассматривают эквивалентной массовым силам ускорения и тяготения. При этом расплав как бы «утяжеляется», что ускоряет всплывание легких неметаллических включений.
Методика определения кристаллизационных параметров гамма-проникающим излучением
Современный метод определения кристаллизационных параметров гамма-проникающими излучениями [79-83] позволяет фиксировать критические точки (температуры начала кристаллизации, эвтектического и эвтектоидного превращений), получать обширную информацию о характере изменения плотности чугунов в твердом, твердо-жидком и жидком состояниях, а также и определять объемные изменения в процессе охлаждения чугуна.
Сущность данного метода заключается в том, что при прохождении через исследуемый образец определенной толщины степень ослабления или усиления интенсивности проникающих гамма-излучений зависит от плотности расплава, которая обратно пропорциональна интенсивности где J0 - число импульсов у-квантов, попадающих на детектор в случае отсутствия металла, т.е. интенсивность падающих у-квантов через пустой тигель; Jt — число у-квантов при наличии поглотителя - металла; х - толщина металла, см (10 м); ц. — массовый коэффициент ослабления, который зависит только от энергии излучения и химического состава металла, см /г (10" м7кг). Погрешность измерения - 0,2 % [79, 84]. Окончательная формула для определения плотности чугуна имеет следующий вид [10] где Зэ - интенсивность излучения при температуре начала эвтектического превращения; a - коэффициент термического расширения алунда (1-Ю"51/град); J2o - интенсивность излучения при 20С; Тэ - температура начала эвтектического превращения; Измерение плотности проводилось на установке «Параболоид-4» - это установка для комплексного исследования физических свойств расплавов с помощью у - излучения [79]. Температура металла фиксировалась с помощью вольфрам-рениевой термопары марки ВР 5/ВР 20. На основании полученных политерм интенсивности гамма-проникающих излучений по температурной остановке и перегибам определялись критические точки фазовых и структурных превращений, объемные изменения и коэффициенты термического сжатия чугуна в жидком, жидко-твердом и твердом состояниях.
Параллельно строилась термограмма кристаллизации чугуна методом термического анализа. Подготовка образцов для исследования структуры велась по стандартной методике. Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца подвергали травлению в 4 %-ном растворе азотной кислоты. Подготовленный для исследования микроструктуры микрошлиф рассматривали на металлографическом микроскопе MICRO 200. Испытания на твердость проводили по стандартной методике. В настоящей работе использовались шкалы HRB, HRC прибора типа ТК-2. Исследования микротвердости проводили на микрошлифах, подготовленных для исследования микроструктуры. Для исследования микротвердости образцов использовали прибор ПМТ-3. Число твердости определяли по специальным таблицам по стандартной методике. Для измерения теплопроводности применялся метод сравнения прохождения теплового потока через эталонный и исследуемый образцы. В качестве «эталона» использовался образец из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 0,030 м и высотой 0,010 м. Температура «холодного» и «горячего» блоков с помощью термостатов поддерживалась постоянной с погрешностью ± 0,05С.
Для измерения перепада температур на «эталоне» и «образце» использовались дифференциальные медь-константановые термопары с диаметром 0,09 мм. Термопары закреплялись на плоских противоположных поверхностях «образца» и «эталона». Регистрирующим прибором служил микровольт-микроамперметр Ф-116. ЪП Расчетная формула для определения коэффициента теплопроводности Л, (Вт/(м к)) имеет вид [85, 86] АГэ1- перепад температур между «горячим» блоком и «эталоном»; Д7\,- перепад температур между «холодным» блоком и «эталоном»; АГоб- перепад температур между «эталонами» и исследуемым образцом; /э,,/э2- высоты эталонных образцов; 10б- высота исследуемого образца. Основными источниками погрешности являются: - погрешность определения размеров образца (Si); - погрешность определения разности температур на образцах (8 AT ); - погрешность из-за утечки тепла (бут); - погрешность из-за контактного теплосопротивления. Для уменьшения погрешности определения размера образцов применялся измерительный инструмент с ценой деления 0,01 мм и проводились многократные измерения линейных размеров, 5] ± 0,2 %. Для снижения погрешности определения перепада температур применялись градуированные термопары, 5 АГ 1,5 %. Расчет суммарной (предельной) погрешности результата измерений AT производится по формуле где 8- предельная погрешность результата измерений образцовой меры теплопроводности (2,5 %); где Л-теплопроводность образца; п— число измерений. С учетом утечки тепла (боковые теплопотери и потери, связанные с различными размерами образцов и нагревателей) и погрешности измерения размеров суммарная погрешность составила = 10—15%.
Исследование влияния температуры облучения на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства чугунов
Методика исследования температуры облучения расплава НЭМИ заключалась в следующем. Сначала чугун перегревали для всех экспериментов до температуры 1500С, после тщательного перемешивания расплава изменяли температуру облучения его НЭМИ до 1500С, 1450С, 1400С, 1350С и 1300С. Время облучения соответствовало 5 минутам, при котором наблюдался максимум теплопроводности чугуна СЧ 20 от ПОН. После облучения чугун охлаждался с постоянной скоростью 20С/мин до температуры 500С. В качестве электродных материалов, в отличие от предыдущих экспериментов, был использован вольфрамовый стержень диаметром 4 мм. Замена стальных электродов из Ст 3 вольфрамовым обусловлена низкой температурой плавления стали (1470С). Для получения температур 1400 и более в расплаве верхняя часть стального электрода расплавлялась, так как в этой зоне вне тигля фиксируется более высокая температура от графитового нагревателя.
Из рис. 3.12 следует, что повышение температуры облучения расплава НЭМИ способствует снижению теплопроводности и плотности чугунов с различным углеродным эквивалентом. Следовательно, для достижения максимальных физических свойств серых чугунов следует выбрать температуру начала облучения более низкую, но обеспечивающую нормальную температуру заливки для получения качественных отливок из серого чугуна.
Установлено, что увеличение температуры облучения расплава способствует резкому измельчению графитных включений металлической основы (рис. 3.13, а-в).
Таким образом, для повышения теплопроводности и плотности серых чугунов целесообразно облучение расплавов при более низких температурах (1300 - 1350С). Нами была выбрана температура облучения расплава 1350С.
Облучение расплавов при высоких температурах, по-видимому, способствует более интенсивному удалению неметаллических включений крупного размера, диспергированию «витающихся» в расплаве включений, растворению графитных комплексов и дезактивации кластеров, что в конечном итоге приводит к измельчению структурных составляющих чугуна.
Установлено влияние ПОН расплава (5, 10, 15, 20 мин) на кристаллизационные параметры и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна (3,4...3,7 мас.% С) с различным содержанием кремния (1,0, 1,55 и 2,0 мас.%):
1. Увеличение ПОН расплава низкокремнистого чугуна способствует повышению температуры начала кристаллизации избыточного аустенита и снижению температур начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида; в высококремнистом чугуне увеличение ПОН расплава способствует снижению температуры начала кристаллизации аустенита, в отличие от низко- и среднекремнистого чугуна; при этом наблюдается незначительное снижение температур начала кристаллизации эвтектики и эвтектоида и сближение температур ликвидуса и эвтектики; по характеру влияния ПОН расплава на кристаллизационные параметры среднекремнистый чугун занимает промежуточное положение между вышеуказанными чугунами;
2. В соответствии с расширением температурных интервалов кристаллизации аустенита и эвтектики увеличиваются степень уплотнения расплава и время кристаллизации соответствующих структурных составляющих низкокремнистого чугуна (1,0 мас.% Si) до 25-минутного облучения расплава НЭМИ. В высококремнистом чугуне (2,0 мас.% Si) обработка расплава НЭМИ до 25 минут способствует, наоборот, сужению температурных интервалов кристаллизации аустенита и эвтектики и уменьшению степени уплотнения расплавов и времени их кристаллизации.
3. Под воздействием НЭМИ графитные включения измельчаются в низко- и среднекремнистом чугунах, а в высококремнистом чугуне, наоборот, наблюдается резкое укрупнение графитной фазы до 25-минутного облучения расплава НЭМИ в связи со смещением состава чугуна в сторону большей эвтектичностщ в низкокремнистом чугуне длительное облучение расплава приводит к отбеливанию чугуна, а в высококремнистом - к ферритизации металлической основы.
4. Физико-механические и эксплуатационные свойства серого чугуна с различным содержанием кремния существенно зависят от ПОН расплава: максимальная теплопроводность и коррозионностойкость и минимальные износостойкость, плотность и микротвердость перлита наблюдаются при ПОН расплава, равной 10 мин в низкокремнистом чугуне; теплопроводность чугуна возрастает в 2 раза и увеличение ПОН расплава способствует повышению жаростойкости чугуна, а в интервале температур 800 - 900С облучение отрицательно влияет на жаростойкость; с увеличением содержания кремния эффект повышения теплопроводности под влиянием НЭМИ снижается;
Кинетика и механизм кристаллизации эвтектики и эвтектоида при воздействии на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами
Как видно из рис. 4.8, на политерме интенсивности гамма-проникающих излучений и термограмме кристаллизации фиксируются кристаллизационные параметры: - tn — температура начала кристаллизации, С; - t"3 и tK3 - температуры начала и конца эвтектического превращения, С; - t"Ai и t\i - температуры начала и конца эвтектоидного превращения, С; - V - температура, при которой наблюдается максимальное значение интенсивности вследствие вторичной графитизации, С; - tj" - температура, при которой наблюдается максимальное значениеинтенсивности вследствие графитизации после перлитного превращения, С; - А1л-степень уплотнения гетерофазного расплава (А+Ж) при кристаллизации избыточного аустенита от хл до tH3, имп/с; - AJH3 - степень уплотнения расплава в начале эвтектического превращения при tH3, имп/с; - AJK3- степень разуплотнения в конце эвтектической кристаллизации, вследствие графитизации, имп/с; - AJ max - степень максимального разуплотнения закристаллизовавшегося чугуна при ti в процессе охлаждения, имп/с; - AJ"AI - степень уплотнения чугуна в момент начала эвтектоидного превращения, имп/с; - AJKAI - степень разуплотнения чугуна в конце эвтектоидного превращения, имп/с; - AJ"max - степень максимального разуплотнения чугуна после завершения эвтектоидного превращения в процессе охлаждения, имп/с; - тл - продолжительность кристаллизации избыточного аустенита в интервале температур тл и тнэ, мин.; - тэ и їді _ продолжительности эвтектического и эвтектоидного превращения, мин; - тt\AX — продолжительность охлаждения чугуна от температуры конца эвтектического превращения до температуры начала эвтектоидного превращения, мин. Более подробно рассмотрим эвтектическую кристаллизацию на политермах интенсивности гамма-проникающих излучений. Как видно из рис. 4.8, эвтектическая кристаллизация протекает резким уплотнением (уменьшением интенсивности) чугуна (-AJH3) при температуре начала эвтектического превращения tH3, что связано с кристаллизацией из жидкой фазы ледебуритной эвтектики (А+ІДі). При дальнейшем охлаждении до температуры конца эвтектического превращения tK3 вследствие частичной графитизации и распада эвтектического цементита происходит разуплотнение чугуна (+AJK3). Данный процесс не прекращается при дальнейшем охлаждении чугуна и достигает максимума значений интенсивности +AJ max при определенных температурах tj (tj tK3). Анализируя данные, приведенные на рис. 4.9, можно предложить следующий механизм кристаллизации эвтектики. В чугунах, модифицированных ферросилицием, в момент кристаллизации при tH3 жидкая фаза кристаллизуется по метастабильной системе с образованием ледебуритной эвтектики (А+Ці). Увеличение ПОН расплава способствует возрастанию количества жидкой фазы эвтектического состава, что подтверждает рост значений -AJ"3 до 20-минутного облучения при модифицировании чугуна 1,0 мас.% и до 15-минутного облучения расплава НЭМИ при 2,0 мас.% ФС-45 (рис. 4.9, а-г). При дальнейшем охлаждении до температуры конца кристаллизации эвтектики tK3 наблюдается разуплотнение чугуна (+AJK3) в связи с кристаллизацией графитной эвтектики из оставшейся части жидкого сплава эвтектической концентрации и распада цементита, образовавшегося в начальный момент кристаллизации эвтектики. Величина +AJK3 возрастает до 20-минутного облучения расплава НЭМИ с 1,0 мас.% и 15-минутного облучения расплава НЭМИ с 2,0 мас.% ФС-45 (рис. 4.9, а-г). В чугуне с 3,0 мас.% ФС-45 наблюдается постоянное уменьшение степени разуплотнения +AJK3 (рис. 4.9, е). Отличительной особенностью эвтектической кристаллизации чугуна с 2,0 мас.% по сравнению с чугуном с 1,0 мас.% ФС-45 является постоянное уменьшение значений +AJ max от ПОН до 25 минут вследствие более интенсивной графитизации при эвтектической кристаллизации. Кроме того, температура tj повышается от ПОН расплава. Общая степень разуплотнения +SAJ изменяется от ПОН по экстремальной зависимости с максимумом ее значения при 15-минутном облучении НЭМИ. Можно отметить следующие особенности эвтектической кристаллизации в чугуне с 3,0 мас.% ФС-45: - степень уплотнения расплава -AJH3 в начальный момент кристаллизации эвтектики при tH3 увеличивается более интенсивно по мере увеличения ПОН расплава до 10 минут с последующим ее уменьшением до 25-минутного облучения НЭМИ (рис. 4.9, д), а степень разуплотнения + AJK3 постоянно уменьшается по мере увеличения ПОН расплава; - степень разуплотнения закристаллизовавшегося чугуна +AJ max увеличивается до 25-минутного облучения расплава НЭМИ. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. В чугунах, модифицированных ферросилицием, наблюдается рост значений -AJ"3 до определенной ПОН расплавов (рис. 4.9): в чугунах с 1,0, 2,0 и 3,0 мас.% ФС-45 (соответственно до 20, 15 и 10-минутного облучения расплавов НЭМИ). При этом доля ледебуритной эвтектики возрастает. После завершения первой стадии эвтектической кристаллизации (уплотнение расплава -AJ"3 при tH3) начинается завершающаяся стадия кристаллизации эвтектики, заключающаяся в разуплотнении чугуна (+AJK3) до температуры конца эвтектического превращения tK3.
