Введение к работе
Актуальность темы. Чтобы успешно работать в условиях современного рынка с его острой конкурентной борьбой, предприятия должны разрабатывать и внедрять технологии, которые позволяют выпускать продукцию с высоким уровнем потребительских свойств при минимальных затратах на производство. Применительно к триботехническим материалам эти задачи, в частности, решаются следующими путями:
замена антифрикционных изделий из бронз, баббитов, порошковых материалов на литые изделия из серого чугуна (детали редукторов, подшипников, открытых зубчатых передач и т.п.);
замена стойких в условиях абразивного и гиброабразивного износа деталей из высоколегированных сталей и чугунов на литые изделия из экономнолегиро-ванных белых и отбеленных чугунов (детали строительного и дорожностои-тельного оборудования, мелющих установок и т.п.).
Однако изготовление таких отливок даёт ожидаемые результаты только при плавке чугуна в электропечах или дуплекс-процессом (вагранка - электропечь) с использованием дорогих и дефицитных шихтовых материалов. Стоимость изделий при этом всё равно остаётся достаточно высокой. Поэтому решение вопроса изготовления указанных выше чугунных триботехнических изделий при плавке чугуна только в вагранке и с использованием недорогих составляющих шихты является актуальной задачей.
Цель и задачи. Целью работы является: разработка основ рационального модифицирования, легирования и технологии производства износостойких и высокопрочных синтетических и полусинтетических чугунов ваграночной плавки. . В соответствии с поставленной целью основными задачами работы'были: разработка теории и практических вариантов модифицирования и микролегирования чугуна (с целью минимизации числа вводимых присадок, их количества и изучения механизма их действия), изучение возможности получения заданной структуры и эксплуатационных свойств чугунов ваграночной плавки путём комплексного легирования и модифицирования;
совершенствование существующих, а также разработка и внедрение новых технологических процессов плавки и обработки расплава при, производстве отливок в вагранке из синтетических и полусинтетических чугунов путём подбора основных компонентов шихты, применения различных легирующих и модифицирующих присадок;
выявление закономерностей формирования структуры и свойств антифрикционных и абразивоизносостойких чугунов с присадками AIMg, SiCa, SiBa, SiP3M,
FeTi, FeV, SiZr, Bi и др.;
разработка и внедрение гибких технологических процессов, позволяющих в ходе одной плавки в вагранке получать в необходимых количествах чугун с различным химическим составом, механическими и эксплуатационными свойствами. Научная новизна:
-
При комплексном модифицировании доэвтектического чугуна щелочноземельными (Мд, Са, Ва, Sr), редкоземельными (Y, La, Се и др.), карбонитридообра-зующими (Ті, Zr, V) и графитизирующими (Al, Si) присадками сформулированы представления о характере физико-химических процессов, обеспечивающих рост числа центров кристаллизации аустенита и графита, увеличение скорости кристаллизации графита, измельчение первичной структуры, устранение отбела, приводящих к повышению литейных, физических и механических свойств. Показано, что в процессе эвтектоидного распада аустенита химически несвязанные элементы микролегируют твёрдый раствор, повышают степень переохлаждения аустенита и увеличивают количество и дисперсность перлита, а Ті, V и Zr при температурах ниже 700 С обеспечивают эффект дисперсионного твердения с карбонитридным упрочнением матрицы.
-
Показано, что комплексное экономное легирование доэвтектических чугунов Cr, Ni, Мп, Си, Мо (не более 2% каждого элемента) в оптимальном сочетании оказывает следующее влияние на структуру и свойства:
при эвтектической кристаллизации Ni, Си, Мо способствуют графитизации, так как уменьшают силы связи углерода с железом, увеличивают коэффициент диффузии углерода и число зародышей графита, уменьшают размер эвтектических зёрен; Мп и Сг способствуют образованию легированных карбидов, так как увеличивают силы связи углерода с железом и переохлаждение при кристаллизации, а увеличение переохлаждения повышает число зародышей графита, измельчает графитовые включения и эвтектические зёрна;
в процессе эвтектоидного превращения Ni и Си, увеличивая коэффициент диффузии углерода в аустените и феррите (Dc) и уменьшая Dc на межфазных и межзёренных границах, выравнивают долю перлитной составляющей в различных сечениях отливок и повышают как общее количество перлита, так и его дисперсность; Сг, Мо, Мп повышают устойчивость переохлаждённого аустенита, концентрацию углерода в аустените перед началом превращения и число центров кристаллизации цементита в перлите и поэтому более существенно повышают долю перлита и его дисперсность, но в меньшей степени влияют на квазиизотропию чугуна. Легирование феррита Ni, Си, Сг, Мо, Мп повышает его прочность по твёрдорастворному механизму.
3. Выявлены особенности структурообразования поверхностного белого и отбе
лённого слоя в чугунных отливках, легированных Мп, Сг, Си и микролегированных
Ті, V и Ві. При этом показано, что висмут, как сильный отбеливающий элемент, обеспечивает первичную кристаллизацию по метастабильной системе; Сг и Мп легируют карбид железа и феррит, что повышает твёрдость карбидов на 10-20%; Си выравнивает количество перлита в различных сечениях отливок; Ті и V образуют самостоятельные карбиды, нитриды и карбонитриды с твёрдостью в 3 раза больше, чем у Fe3C, устраняют транскристаллизацию в структуре белого чугуна и повышают твёрдость ледебуритных и эвтектоидных структур. Всё это обеспечивает высокую износостойкость изделий в условиях абразивного износа. При этом показано, что присутствие в поверхностном слое до 2% графита повышает износостойкость таких изделий из-за смазывающего влияния графита и обеспечивает смену механизма износа микрорезанием и микроцарапанием на износ по механизму пластического оттеснения.
Практическая ценность:
-
Применительно к условиям ваграночной плавки синтетических и полусинтетических чугунов разработаны алгоритмы и программы расчёта составов сплавов, составляющих шихты, технологии плавки, легирования, микролегирования и модифицирования, обеспечивающие получение заготовок с заранее заданными параметрами структуры и уровнем механических и эксплуатационных свойств (отливки СЧ18 - СЧЗО по ГОСТ 1412; отливки из АЧС-1 - АЧС-3 по ГОСТ 1585; отливки для работы в условиях абразивного и гидроабразивного износа и др.).
-
Отработаны технологии получения в течение одной ваграночной плавки отливок из конструкционного чугуна различных марок и назначений (например СЧ18 и СЧ21; СЧ18, СЧЗО и АЧС-1; СЧ18 и ИЧ315ХГДТФЛ и др.).
Реализация работы. Производство высокопрочных, антифрикционных и аб-разивоизносостойких чугунов по технологиям, разработанным в ходе проведения работы, внедрено в ОАО «Ростовводпром» (г.Батайск). Венцы редукторов и открытых зубчатых передач; антифрикционные втулки для прицепов КАМАЗ; заготовки для изготовления шестерён прессов; скребки, отвалы и лопатки бетономешалок и смесеприготовительных бегунов из отливок, изготовленных по данным технологиям, нашли применение на ряде предприятий машиностроения, чёрной металлургии и строительных организаций Ростовской области. При этом в ОАО «Ростовводпром» был получен суммарный годовой эффект (в ценах декабря 2004 г.) равный 3,98 млн.руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
Международной научно-технической конференции «Литейное производство и
металлургия 2003. Беларусь», Республика Беларусь, г.Минск, 17-18 сентября
2003 года;
VII съезде литейщиков России (г. Новосибирск, 23-27 мая 2005 года)
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём диссертации. Настоящая работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений и содержит 178 страниц машинописного текста (не считая приложений), 44 рисунка, 42 таблицы и список использованных источников из 116 наименований.
