Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленности находит всё большее применение высокопрочный чугун с шаровидным (ЧШГ) и вермикулярным графитом (ЧВГ). Этот конструкционный материал обладает комплексом ценных физико-механических свойств, поэтому его используют для изготовления литых изделий ответственного назначения во многих отраслях промышленности.
Отливки из ЧШГ и ЧВГ в настоящее время получают модифицированием расплава чугуна модификаторами с магнием (Mg) и редкоземельными элементами (РЗЭ), сопровождающимся пироэффектом и дымовыделением, ухудшающими санитарные и экологические условия.
Условия образования шаровидного и вермикулярного графита в чугуне, несмотря на многочисленные исследования, не имеют однозначного толкования. Форма включений графита в чугуне обусловлена условиями их роста в расплаве чугуна, однако о механизме этого процесса до сих пор ведутся дискуссии, так как существуют разные представления о природе центров кристаллизации графита (ЦК Г) в расплаве чугуна.
Существует несколько гипотез о природе ЦК Г в чугуне и их влияния на образование в нем различных форм графита. В последнее время обсуждаются теории зародышеобразования и формообразования графита в чугуне, основанные на влиянии различных типов неметаллических включений (НМВ) в расплаве чугуна.
Поэтому актуальной проблемой для теории и практики получения отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формами графита является изучение природы ЦК Г в расплаве чугуна и разработка на этой основе эффективных экологически чистых способов получения ЧШГ и ЧВГ без использования модификаторов с Mg и РЗЭ.
Цель работы. Разработка эффективного технологического процесса получения в отливках шаровидного и вермикулярного графита без использования модификаторов с Mg и РЗЭ на основе исследования природы центров кристаллизации и формы включений графита в чугуне.
Задачи исследования:
1. Экспериментальное изучение природы центров кристаллизации графита в
чугуне
2. Изучение влияния типа графитной фазы в промышленной шихте на
механические свойства и микроструктуру отливок из чугуна.
Выявление направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна и на форму включений графита в нем на основе электронного строения их атомов.
Разработать эффективный технологический процесс получения ЧШГ и ЧВГ без использования модификаторов с Mg и РЗЭ на основе экспериментальных исследований природы ЦК Г в чугуне и теоретических исследований направленности влияния элементов на основе электронного строения их атомов на микроструктуру чугуна.
Проведение опытно-промышленных исследований по получению отливок с вермикулярной и шаровидной формой графита без использования
модификаторов с Mg и РЗЭ, направленных на внедрение в производство результатов работы.
Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа (МРА) микроструктуры чугунов различного химического состава и теоретического анализа связи стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов входящих в чугун элементов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов их атомов. Эти данные использованы для определения особенностей формирования структуры и свойств чугунов.
Достоверность выводов и практические рекомендации подтверждаются применением проверенных методик структурного анализа и обработки данных экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями.
Научная новизна:
на основе проведенных экспериментальных исследований с помощью МРА микроструктуры чугуна различного химического состава и анализа данных рентгеноструктурных исследований расплава чугуна с различной его температурой установлено, что центрами кристаллизации графита в расплаве чугуна при невысоком его перегреве являются попадающие из шихты и недорастворившиеся в расплаве включения графита, а не имеющиеся в нем оксисульфидные и оксидные НМВ;
на основе экспериментальных исследований микроструктуры и свойств чугуна, выплавленного в промышленных условиях из различных шихтовых материалов с разной характеристикой графитной фазы, установлено, что их значения определяются типом графитной фазы в них, характеризующей наследственные свойства шихтовых материалов в отливках:
- установлена связь величины стандартных значений изобарно-
изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов,
карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных
электронов (Х1в) атомов образующих их элементов, поэтому по нему можно
оценивать порядок протекания химических реакций в расплаве чугуна и тем
самым определять направленность влияния элементов на структуру чугуна, в том
числе и на формообразование включений графита в чугуне;
- на основе анализа значений 11ц элементов установлено, что Ва и Са имеют
низкие значения X1D и поэтому обладают повышенным фодством к повфхностно-
активным примесям расплава чугуна, в силу чего могут эффективно повышать его
поверхностное натяжение и тем самым служить эффективными элементами в
модификаторах ЧІІІГ и ЧВГ.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- на основе установленной природы ЦК Г в расплаве чугуна и выявленного
влияния типа шихтовых материалов на микроструктуру и свойства отливок из
чугуна можно проводить эффективную технологию плавки и модифицирования, и
тем самым управлять в производственных условиях формированием микроструктуры и свойств отливок из чугуна с заданными свойствами;
- проведенные исследования позволили на научной основе разработать экологически чистый эффективный способ получения высокопрочного чугуна с ШГ и ВГ без использования модификаторов с Mg и РЗЭ с помощью модифицирования расплава выпускающими промышленностью модификаторами силикокальцием и силикобарием, который можно применить для получения отливок из ЧШГ и ЧВГ, используемых в любой отрасли.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту:
1. Данные экспериментальных исследований природы центров
кристаллизации графита в чугуне и влияния различных структурообразующих
факторов на форму включений графита в нем.
2. Связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов
образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов входящих в чугун
элементов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных
электронов атомов образующих их элементов.
3. Данные экспериментальных и опытно-промышленных исследований по
получению отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита
без использования модификаторов с Mg и РЗЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях: на 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава (Брянск, 2005г.), VIII съезд литейщиков (Ростов-на-Дону, 2007г.), на 58-й научной конференции профессорско-преподавательскогосостава (Брянск, 2008г.).
Внедрение результатов: Разработан способ получения отливок с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с Mg и РЗЭ, который прошел промышленное опробование на предприятии ЗАО «УК «БМЗ», на что имеется акт внедрения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
