Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 10
1.1 Связь структуры и свойств чугуна 10
1.2 Природа центров кристаллизации графита в чугуне 12
1.3 Влияние химического состава на форму включений графита в чугуне 19
1.4 Влияние модифицирования на форму включений графита в чугуне 21
1.5 Влияния технологии плавки и шихтовых материалов на форму включений графита в чугуне 25
1.6 Влияние физических свойств и строения расплава чугуна на форму включений графита в чугуне 27
1.7 Влияние скорости охлаждения на форму включений графита и структуру чугуна 31
1.8 Термическая обработка 34
1.9 Выводы 35
Глава 2. Методика проведения исследований 38
2.1 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна 38
2.2 Методика проведения механических испытаний 38
2.3 Методика проведения металлографических исследований 39
Глава 3. Исследование природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна микрорентгено-спектральным анализом 41
Глава 4. Исследование влияния структурообразующих факторов на форму включений графита в чугуне и разработка теоретических основ получения отливок с заданной структурой 47
4.1 Исследование влияния химического состава чугуна на строение его расплава и структуру отливок 55
4.2 Исследование влияния скорости затвердевания расплава чугуна на структуру отливок 63
4.3 Выводы 65
Глава 5. Экспериментальные и опытно-промышленные исследования по получению отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами 67
5.1 Опытно-промышленные исследования влияния химического состава и модифицирования на механические свойства и структуру отливок из высокопрочного чугуна, получаемого на производстве 67
5.2 Экспериментальные исследования по получению в лабораторных условиях чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без магния и редкоземельных элементов 76
5.3 Опытно-промышленные исследования по получению чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом с использованием силикокальция и силикобария 78
5.4 Опытно-промышленные исследования влияния термообработки на микроструктуру и механические свойства отливок из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом 86
5.5 Выводы 90
5.6 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения научно-исследовательской работы 91
Заключение 93
Список использованных источников 95
- Влияния технологии плавки и шихтовых материалов на форму включений графита в чугуне
- Исследование природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна микрорентгено-спектральным анализом
- Исследование влияния скорости затвердевания расплава чугуна на структуру отливок
- Экспериментальные исследования по получению в лабораторных условиях чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без магния и редкоземельных элементов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленности находит всё большее применение высокопрочный чугун с шаровидным и вермикулярным графитом. Этот конструкционный материал обладает комплексом ценных физико-механических свойств, поэтому его используют для изготовления литых изделий ответственного назначения во многих отраслях промышленности.
Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом в настоящее время получают модифицированием расплава чугуна модификаторами с магнием и редкоземельными элементами, применение которых сопровождается пироэффектом и дымовыделением, ухудшающими санитарные и экологические условия окружающей среды.
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 в расплаве чугуна и их взаимодействия с расплавом.
Существует несколько гипотез о природе центров кристаллизации графита в чугуне и условий образования в нем различных форм графита. В последнее время обсуждаются теории гетерогенного зароды шеобразования и формообразования графита на различных типах неметаллических включений в расплаве чугуна.
Поэтому актуальной проблемой для теории и практики получения отливок из чугуна является изучение природы центров кристаллизации графита в его расплаве и разработка на этой основе экологически чистых способов получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами.
Цель работы - получение микроструктуры чугуна с компактной формой графита с использованием силикокальция и силикобария на основе исследования природы центров его кристаллизации в расплаве чугуна.
Задачи исследования:
1. Экспериментальное изучение природы центров кристаллизации графита в чугуне.
Изучение влияния типа графитной фазы в промышленной шихте на микроструктуру отливок из чугуна.
Исследование направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна на основе электронного строения их атомов.
4. Разработка экологически чистого процесса получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами на основе изучения природы центров кристаллизации графита в чугуне и исследования направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна.
5. Проведение исследований по выявлению влияния термообработки на количество перлита, феррита и бейнита в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, полученных с использованием силикокальция и силикобария.
Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры чугунов с различной формой графита, модифицирования расплава чугуна, термообработки 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.
Достоверность выводов и практические рекомендации подтверждаются применением проверенных методик структурного анализа и обработки данных, экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями.
Научная новизна: — на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры чугуна с различной формой графита, модифицирования расплава чугуна графитом и ферросилицием, усвоения науглероживателя в расплаве синтетического чугуна и влияния типа шихтовых материалов на графитную фазу в отливках установлено, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна при невысоком его перегреве являются попадающие из шихты и недорастворившиеся в расплаве включения графита, а не имеющиеся в нем оксисульфидные и оксидные неметаллические включения; — установлена связь величины стандартных значений изобарно- изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов атомов (1в)> по которому можно оценивать порядок протекания физико-химических реакций в расплаве чугуна и тем самым определять направленность влияния элементов на микроструктуру чугуна и на взаимосвязь их с центрами кристаллизации графита, определяющую формообразование включений графита в чугуне; — на основе анализа значений 1в элементов установлено, что Ва и Са имеют низкие значения 1в и поэтому обладают повышенным сродством к поверхностно-активным примесям расплава чугуна, в силу чего могут быть использованы в модификаторах для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Данные экспериментальных исследований природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна и влияния различных структурообразующих факторов на форму включений графита в нем.
Связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов входящих в чугун элементов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов атомов 1В образующих их элементов.
Данные экспериментальных и опытно-промышленных исследований по получению отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами и с различной металлической матрицей путем термообработки.
Практическая значимость и реализация результатов работы: на научной основе разработан экологически чистый способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами с помощью модифицирования расплава выпускающими промышленностью силикокальцием и силикобарием; разработаны методы получения в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом заданного количества перлита, феррита, бейнита путем термообработки.
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-преподавательского состава (Брянск, 2008г.).
Внедрение результатов. Способ получения отливок с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами прошел промышленное опробование на ЗАО «УК «БМЗ», на что имеется акт внедрения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 101 наименования. Она содержит 104 страницы, 41 рисунок, 11 таблиц и приложение.
Влияния технологии плавки и шихтовых материалов на форму включений графита в чугуне
В настоящее время выплавка чугуна с шаровидным графитом производится в любом типе плавильных агрегатов: вагранке, индукционной печи, дуговой электропечи, а также в различных сочетаниях друг с другом. Вагранка используется как первичный плавильный агрегат в дуплекс- и триплекс-процессах. (В Великобритании выплавка ЧШГ в вагранках имеет широкое распространение именно в силу того, что там производятся чушковые чугуны высокой чистоты). Индукционные печи имеют существенное преимущество: надежное регулирование химического состава чугуна, температуры, возможность получения низкого содержания серы при соответствующей шихте, использованной дешевой шихты в виде стружки и т.п. При плавке в основных дуговых печах благодаря возможности проведения металлургических процессов получают металл необходимого химического состава, особенно по S и Р, и заданной температуры [2].
Практикой установлено, что при применении в шихтах ваграночной, дуговой, индукционной плавки чушковых чугунов одной марки разных металлургических заводов структура и свойства отливок получаются разными, что связано с влиянием «наследственных» свойств их — разного содержания примесей, газов, структурных составляющих, графитной спели [59]. Нагрев расплава чушкового доменного чугуна до 1450 С не изменяет его свойств, существенное влияние на них оказывает лишь нагрев до 1550 С и длительная выдержка при этой температуре [31]. При плавке чугуна, где нагрев расплава не превышает 1450 С, в отливках проявляются плохие «наследственные» свойства чушкового чугуна - грубая форма включений Г, повышенное количество Ф, склонность к пористости, отбелу и т.д. [31], кроме того металл дополнительно насыщается С, S, Р, газами, НМВ, что и является причиной пониженных свойств отливок при плавке металла.
Структура ЧШГ в значительной степени определяются типом и количеством микропримесей, находящихся в чушковых чугунах. В одной из последних работ японских исследователей [60] показано, что чушковые чугуны различного происхождения имеют и разное количество примесей. Примеси могут оказывать сфероидизирующее и десфероидизирующее в ЧШГ.
Действие десфероидизаторов объяснено тем [17], что они понижают поверхностное натяжение чугуна и межфазное натяжение на границе графит— расплав, что препятствуют образованию шаровидного графита (ШГ). Увеличение количества вводимых десфероидизаторов действует на свойства ЧШГ подобно тому, как это происходит при снижении содержания в нем сфероидизаторов (магния и других): наблюдается изменение формы графита от шаровидной к пластинчатой, снижаются предусадочное расширение, склонность к отбелу и образованию усадочных пустот [17]. Увеличение содержания кремния, меди, алюминия и сурьмы в чугуне приводит к уменьшению концентрации магния в графите.
Причиной влияния десфероидизаторов является химическое взаимодействие их со сфероидизаторами. В результате снижается эффективная концентрация (активность) сфероидизаторов, что затрудняет химическое взаимодействие их с краевыми атомами призматических граней включений графита [61]. Интенсивность десфероидизирующего влияния химических элементов на форму графита в ЧШГ согласуется с величиной разности теплоты образования их соединений с магнием и с наиболее активными компонентами чугуна [60].
Все десфероидизаторы можно разделить на две группы. К первой группе десфероидизаторов относятся кислород, сера и часть их аналогов, химические соединения которых со сфероидизаторами устойчивы при температуре модифицирования и образуют в расплаве чугуна отдельную твёрдую фазу. Ко второй группе относятся свинец, висмут, сурьма, олово, теллур, титан, медь, алюминий, которые не образуют в жидком чугуне устойчивых соединений с магнием и другими сфероидизаторами в виде отдельной фазы и поэтому не могут быть удалены из него в процессе модифицирования [17, 61].
Применение стального лома помимо удешевления шихты приводит к повышению механических свойств чугуна, однако это сопряжено с возможным влиянием на структуру металлической основы и форму графита примесей в виде неконтролируемых элементов [2].
Добавки стали влияют на величину и характер распределения шаровидных графитных включений (ГВ). Для чугунов, выплавленных из шихты с повышенным содержанием стали, распределение размеров ГВ носит бимодальный характер [62-63]. Плотность чугуна - наиболее чувствительная физическая характеристика, реагирующая на изменение условий получения расплава, — также повышалась с увеличением доли стали в шихте. Более того, даже изменение вида возврата в шихте способствует повышению плотности чугуна в отливках [62-63].
Причина изменения характеристик чугуна - в структурной наследственности [64] стальной части шихты, имеющей иное строение, как в твердом, так и в жидком состояниях по сравнению с передельным чугуном. Различия в структуре расплавов этих компонентов шихты могут являться причиной их взаимодействия, в результате которого чугун наследует свойства стальной части шихты, обладающей повышенными характеристиками в твердом состоянии.
Исследование природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна микрорентгено-спектральным анализом
В разделе 1.2.1 настоящей работы приведён подробный анализ имеющихся исследований по природе ЦК Г в расплаве чугуна. Из этого анализа вытекает, что пока нет общепризнанной теории о их природе, т.к. в качестве ЦК Г разные исследователи принимают неметаллические включения в расплаве чугуна, при этом часто переносят данные исследований расплавов из чистых материалов на промышленные расплавы. При этом в ряде исследований [13, 60] считается, что в качестве ЦК Г в расплаве чугуна могут выступить оксисульфидные и другие НМВ. Таким образом, требуется дальнейшее проведение исследований по этой проблеме. С целью установления наличия НМВ и других элементов кроме углерода во включениях Г провели исследования содержания элементов в структурных составляющих различных типов чугуна методом локального рентгеноспектрального анализа (MPА) на микроанализаторе «Камека» и химическим анализом. Результаты исследований получены в виде кривой интенсивности рассеивания (КИР) рентгеновского излучения вдоль линий сканирования рентгеновского луча, пересекающего участки металлической матрицы длиной до 500 мкм и включения Г [94]. Чувствительность метода устанавливали сопоставлением данных по содержанию Si, Мп и S в синтетическом бескремнистом чугуне, выплавленном из карбонильного Fe и чистого Г, и синтетическом кремнистом чугуне, выплавленном из карбонильного Fe, чистого Г и Si. Исследования показали, что на (КИР) рентгеновских лучей, характеризующих содержание и распределение Si, Mn, S в бескремнистом чугуне, экстремумов нет на КИР Sia, а расположение её соответствует расположению КИР фона Sia (рис. 7). Это свидетельствует о том, что ни НМВ с высоким содержанием Si, ни Si в этом чугуне нет, что подтверждается химическим анализом. В то же время на КИР Siu кремнистого чугуна (рис. 8) имеется экстремум, характеризующий высокое содержание Si в НМВ, а расположение её по отношению к КИР фона Sia указывает на содержание Si в этом чугуне на уровне, обнаруживаемом химическим анализом. Это говорит о том, что данный метод позволяет устанавливать наличие НМВ типа SiCb в чугуне, а также определять содержание и распределение в нём Si.
Диаметр зонда на установке «Камека» составляет 2 мкм, что позволяет обнаружить и НМВ таких же размеров. Размер подложек для гетерогенного зарождения ЦК Г, как показывают расчёты [15], составляют 1 - 5 мкм, поэтому они могут быть обнаружены во включениях Г МРА на установке «Камека».
Таким образом, принятый в исследованиях метод МРА позволяет устанавливать наличие в чугуне НМВ размерами 1 мкм, которые могут выступать в качестве ЦК Г, а также определять содержание и распределение нмв.
Исследовали распределение и содержание Si, Мп и S в структурных составляющих следующих типов синтетического чугуна: в бескремнистом ЧПГ, выплавленном из карбонильного Fe и чистого Г (рис. 7); в кремнистом 41Д, выплавленном из карбонильного Fe, чистого Г и Si (рис. 8); в промышленных чугунах: немодифицированном ЧПГ (рис. 9); модифицированном ФС75 ЧПГ (рис. 10.); в модифицированном лигатурой ЖКМК (железо - кремний — магний - кальций) ЧШГ (рис. 11); в модифицированном CaSi и А1 ЧВГ с включениями ШГ (рис. 12); в модифицированном BaSi и CaSi ЧВГ с включениями ШГ (рис. 13); в модифицированном лигатурой ЖКМК и BaSi ЧВГ (рис. 14).
Данные исследований более 1000 различных включений Г и НМВ и участков металлической матрицы этих чугунов показывают, что содержание элементов во включениях Г находится на уровне фона Sia, в то же время в металлической матрице и у поверхности включений Г обнаруживаются НМВ с размерами 1 мкм.
Во включениях Г отсутствуют НМВ с размерами 1 мкм, которые обнаруживаются МРА, в противном случае они были бы обнаружены хотя бы в некоторых из исследованных в большом количестве включениях Г, как это проявилось, например, в исследованных участках металлической матрице.
Исследовали влияние модифицирования расплава синтетического чугуна составом 3% С, 2% Si, 0,7% Mn, 0,02% S, и 0,06% Р на величину отбела клина (рис. 15). В расплав после его выдержки в печи при 1500 С в течение 30 минут с целью дезактивации ЦК вводили по 0,5% чёрного Г или ферросилиция ФС75. Потери модифицирующего эффекта, оцениваемая величиной отбела клина по истечении некоторого времени после введения модификатора, приведена на рис. Это приводит к зарождению новых гомогенных ЦК Г под воздействием повышенного содержания Si в этих микрообъёмах, резко повышающем термодинамическую активность С в этих микрообъёмах расплава и появлению там повышенного количества свободных атомов С. Однако благодаря перемешиванию расплава и процессу диффузии концентрация Si в нём в течение 4...6 минут выравнивается, при этом содержание Si увеличивается в среднем на 0,15%, что и объясняет малое последующее его воздействие. Выдержка расплава чугуна при Т 1350 С способствует окислению и снижению содержания Si в нём рис. 17, что приводит к увеличению отбела клина рис. 15. Если же предположить, что дополнительными ЦК Г были вновь образовавшиеся в расплаве НМВ Si02 вследствие окисления Si при введении в него ФС75, то требует объяснения их быстрое исчезновение - в течение 5...6 минут.
Исследование влияния скорости затвердевания расплава чугуна на структуру отливок
В разделах 1.7. показано, что структура отливок зависит от скорости охлаждения расплава чугуна. Исследовали влияние скорости затвердевания расплава чугуна на структуру изготовляемых в сухих земляных формах отливок с толщиной стенок от 5 до 200 мм и составом металла: 3,0 - 3,2 % С, 1,8 — 2,5 Si, 0,5 — 0,8 % Mn, 0,03 — 0,08 % Р, S. Снимали кривые охлаждения отливок типа приведённых на рис. 23 и по ним определяли время до полного их затвердевания и исследовали их микроструктуру (табл. 3).
Это говорит о том, что при малой скорости охлаждения расплава, характерной для отливок с большой толщиной стенок, устанавливается какое — то минимальное его переохлаждение, вследствие чего достигается минимальная скорость роста кристаллов. Поэтому в массивных отливках с малой скоростью охлаждения расплава, где достигается малая степень его переохлаждения, увеличение толщины стенки уже не может оказывать существенного влияния на формирование их структуры, т.к. оно не приводит к существенному изменению скорости роста кристаллов. 1. ЦК Г являются недорастворившиеся в расплаве чугуна его микровключения, о чем свидетельствует микроструктура чугуна, выплавленного из карбонильного Fe на подложке из чистого Г и без добавления Si. Видно, что чугун графитизированный, чего не должно было быть, если бы ЦК Г были НМВ, которых в этом чугуне нет. При этом первичные включения Г образовались в расплаве ещё до его кристаллизации на основе недорастворившихся частичек графитной подложки, поэтому они имеют гораздо большие размеры по сравнению с эвтектическим Г. Эти исследования показывают, что ЦК Г в расплаве чугуна служат не НМВ, а попадающие из шихты и модификаторов недорастворившиеся в расплаве включения Г или образовавшиеся вновь микровключения Г под воздействием графитизирующих чугун факторов. 2. По значениям 1В элементов можно судить о силе связи их атомов в соединениях и направленности и последовательности протекания химических реакций в многокомпонентных сплавах и их расплавах. Значения являются для этой цели более объективной характеристикой по сравнению с - AG%9S, так как ІВ в отличии от -AG0i не зависит от температуры и концентрации вступающих во взаимодействие элементов. Такие элементы, как Ва, Са, Mg, Се, P33,Y, вследствие низких суммарных значений потенциалов ионизации всех их валентных электронов Е1в и высоких значений изобарно-изотермических реакций являются химически активными и прежде всего будут вступать во взаимодействие с находящимися в расплаве элементами О, N, S и другими примесями, образуя с ними выделяющиеся в самостоятельные фазы устойчивые химические соединения. 3. Для отливок с небольшой толщиной стенок, вследствие чего они имеют повышенную скорость охлаждения расплава, толщина стенок оказывает существенное влияние на их структуру, т.к. она влияет на степень переохлаждения расплава. В чугунолитейном цехе по ЗАО «УК «БМЗ» изготовляются различные отливки для судовых дизелей из высокопрочного чугуна (ВЧ) марок ВЧ40 и ВЧ50 ГОСТ 7293-85. По требованиям ТУ в них должны обеспечиваться: пластичность для ВЧ40 15%, для ВЧ50 7%; содержание перлита (П) в структуре чугуна ВЧ50 - более 70%, а в структуре чугуна ВЧ40 — менее 10%; в структуре отливок не допускается цементит (Ц) и более 10% вермикулярного графита (ВГ).
Чугун для ВЧ выплавляется преимущественно в индукционной высокочастотной электропечи с ёмкостью тигля 1 т, частично в индукционной электропечи ИЧТ—10. Модифицирование расплава для получения шаровидного графита (ШГ) осуществляется различными модификаторами (ФСМГ2-ФСМГ8) в количестве 2,0-2,5% и в ковшах ёмкостью 1т. Для устранения отбела в отливках одновременно с модификаторами вводится ферросилиций ФС75, содержащий до 2% А1. Температура модифицирования находится в пределах 1400-1500 С, а время от начала модифицирования до окончания заливки достигает до 15 мин. Из одного ковша заливаются разные по массе и толщине стенок отливки - от звеньев массой до 6 кг и толщиной стенок до 20 мм и до корпусов гидроцилиндров массой до 250 кг и толщиной стенок до 200 мм. Химический состав чугуна после модифицирования находится в пределах: 3,0-4% С, 1,6-4% Si, 0,3-1% Мп , 0,008-0,20% S , 0,04-0,12% Р , 0,02-0,08% Mg.
Экспериментальные исследования по получению в лабораторных условиях чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без магния и редкоземельных элементов
Целесообразность и оптимальные области применения силикокальция, силикобария в ряду других модификаторов продолжают оживленно дискутироваться, а объем потребления силикокальция, силикобария, как модификаторов чугуна, не превышает 10 % от суммарного производства графитизирующих добавок.
Целью опытно-промышленного исследования являлось получение в структуре чугуна вермикулярного и шаровидного графита с применением без магнийсодержащих модификаторов. Способ модифицирования чугуна включал введение в расплав чугуна смеси, содержащей силикобарий ФСБаЗО и силикокальций СКЗО, в количество 1,5-2,5% от его массы при содержании силикобария в смеси 40-60 мас.%.
Количество и состав смеси нами выбраны, исходя из установленного нами выше физико-химического влияния ее компонентов Са и Ва на процесс образования вермикулярного и шаровидного графита в промышленном чугуне. Экспериментальные исследования (табл. 5) показали, что для эффективной очистки расплава чугуна от примесей, способствующей образованию в нём вермикулярного и шаровидного графита (рис. 33, 34), в него необходимо вводить 1,5-2,5% ФСБаЗО или СКЗО от массы расплава чугуна.
Целью исследования является повышение механических свойств чугуна за счет получения в его структуре вермикулярного и шаровидного графита. Способ модифицирования чугуна включает введение в чугун смеси, содержащей силикобарии и силикокальций, в количество 1,5-2,5% от его массы при содержании силикобария в смеси 40-60 мас.% [98-100].
Количество и состав смеси выбраны, исходя из физико-химического влияния ее компонентов на процесс образования вермикулярного и шаровидного графита в чугуне. Барий и кремний в силикобарии способствуют образованию центров кристаллизации графита в расплаве чугуна. Барий активно способствует очистке расплава чугуна от примесей. Введение силикобария в расплав чугуна способствует графитизации чугуна и образование в его структуре вермикулярного и шаровидного графита. Для эффективной очистки расплава чугуна от примесей, способствующей образованию в нём вермикулярного и шаровидного графита, в него необходимо вводить 1,5—2,5% смеси от массы расплава чугуна. При введении в расплав чугуна силикобария в количестве более 60% от состава модифицирующей смеси в чугуне не могут накапливаться неметаллические включения, снижающие его свойства.
Кроме того, при введении в расплав чугуна более 60% ФСБаЗО в структуре чугуна образуется повышенное количество графита больших размеров, снижающих его свойства. При введении в расплав чугуна менее 40% ФСБаЗО от состава смеси не происходит достаточной очистки расплава чугуна от примесей.
Содержащийся в силикокальции кальций способствует очистке расплава чугуна от примесей, а кремний — образованию центров кристаллизации графита, при этом кальций способствует отбелу чугуна. Введение СКЗО в расплав чугуна способствует его рафинированию от примесей и образованию в его структуре вермикулярного и шаровидного графита. В то же время, при введении в расплав чугуна СКЗО на его частицах образуется шлак из оксидов, снижающий его усвоение и требующий повышенного его расхода.
Поэтому при введении в расплав чугуна более 60% СКЗО от модифицирующей смеси может происходить отбел отливок и их загрязнение неусвоившимися его частицами в виде шлака, снижающими их свойства и являющимися причиной их брака. Уменьшение содержания СКЗО в модифицирующей смеси менее 40% приводит к повышению содержания в ней ФСБаЗО более 60%, что влечет описанные недостатки. Оптимальным является состав смеси, содержащий 40-60% ФСБаЗО и 40-60% СКЗО.
При введении в расплав чугуна менее 1,5% от его массы модифицирующей смеси не происходит эффективна его очистка от примесей и образование вермикулярного и шаровидного графита, а введение модифицирующей смеси более 2,5% от массы расплава приводит к тому же из-за "перемодифицирования".
В индукционной электропечи выплавляли чугун состава, масс.%: С 2,9-3,8; Si 1,8-3,3; Мп 0,5-1,5; S до 0,1; Р до 0,15; Fe остальное, и модифицируют его расплав предлагаемой смесью в количестве 2,0% от его массы и в количестве 1,3-2,7% от его массы табл. 6. Из модифицированного смесью чугуна получают в песчаных формах отливки и определяют их механические свойства и структуру чугуна по стандарту ГОСТ 3483-87.
Результаты испытаний приведены в табл. 6, которые показывают, что наиболее высокие механические свойства чугуна достигаются при предлагаемом соотношении компонентов в модифицирующей смеси (составы 2-4). Выход составов смеси за пределы предлагаемых соотношений в ней компонентов (составы 1 и 5) приводит к снижению механических свойств чугуна.
Так, состав 1 (табл. 6) с содержанием более 60% ФСБаЗО приводит к снижению свойств ав (предела прочности) и НВ (твердости) чугуна вследствие образования в его структуре повышенного количества феррита и повышенного количества включений графита больших размеров, а состав 5 с содержанием более 60% СК30 приводит к снижению ов и резкому повышению НВ чугуна, связанному с образованием цементита в его структуре.
В табл. 6 приведены результаты испытаний, показывающие, что наилучшие механические свойства чугуна достигаются при введении в его расплав смеси предлагаемого состава в количестве 1,5—2,5% от его массы.
