Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди конструкциошшх материалов, наиболее широко используемых в различных сферах технической деятельности, особое место принадлежит чугуну. Это обусловлено тем, что до настоящего времени он является, в основном, исходным материалом для получения стали. В том случае, если необходимо придать доменному чугуну специальные свойства, применяется легирование. С этой целью в серый чугун вводят большие добавки хрома, никеля, молибдена, ванадия и многих других щелочных, щелочноземельных и переходных металлов и сплавов на их основе (лигатур). Этот очень дорогой путь придания чугуну нужных свойств выбран во всех странах - производителях чугуна по нескольким причинам:
во-первых, победивший вариант диаграммы состояния железо-цементит предусматривает наличие графита как самостоятельной фазовой составляющей;
во-вторых, полностью игнорируется ведущая роль водорода в восстановлении окислов железа и его наследственное влияние на всем времени получения, обработки, эксплуатации и разрушения чугунных и стальных изделий;
в-третьих, до настоящего времени, несмотря на большое количество новейших сведений по практическому и научному объяснению природы процессов, формирующих свойства чугуна, существует традиционное мнение об обратной зависимости количества выделений графита от скорости охлаждения, т.е. чем меньше скорость кристаллизации, тем больше выделений графита;
в-четвертых, очень мало уделяется внимания микроструктурным аспектам формирования свойств чугуна;
в-пятых, поскольку производство чугуна и стальной передел в основном находятся в руках металлургов - получателей металла, то до машиностроителей, в большей мере вынужденных сталкиваться с металлографией и основами металловедения, доходит чугун уже претерпевший многие виды промежуточной обработки (перелив аз домны в многотонные ковши, выстаивание в миксерах или первая кристаллизация, легирование, переплавы и многое другое). Именно поэтому в имеющейся литературе по структуре и другим свойствам чугунов имеется много разногласий.
В связи с этим актуальным является проведение анализа всего современного процесса получения чугуна в домне. Несмотря на то, что кажется очевидным и явным, участие водорода как основного восстановителя окислов железа завуалировано другими элементами, имеющими к водороду большее сродство. Прежде всего это касаег-ся шихтовых материалов. Наиболее выдающимся элементом, относящимся к числу творцов чугуна и стали, является кальций (плавиковый шпат, известняк, доломит и
ДР-)-
Именно на основании представлений о графите в чугуне как о "натуральном графите" появились современные способы получения чугуна и его составы, предусматривающие резкое повышение стоимости. Стремление снизить стоимость чугуна и стали требует проведения тщательного металлографического анализа серого чугуна, полученного из домны и не подвергавшегося каким-либо промежуточным видам переработки. Это приведет к появлению новых представлений о природе выделений графита и дает возможность регулировать в широких пределах его количество, форму и характер распределения. Естественно, что эти представления повлекут за собой разработку новых способов обработки чугунного расплава.
В конечном итоге должны быть разработаны режимы термической обработки
твердого чугуна, позволяющие более глубоко понять механизм формирования выделений графита при кристаллизации. Все упомянутое должно привести к решению основной задачи - получению доменного чугуна без выделений графита с уровнем свойств таким же или более высоким как у дорогостоящего легированного.
Такое решение может быть осуществлено на основании представлений об участии водорода в формировании свойств чугуна на всех этапах - от шихты до эксплуатации изделий.
Основной объем работы выполнен по всесоюзной межвузовской программе "Металл", программам "Металл" и "Сибирь" СО АН СССР, специальным программам общественных академий и комплексной региональной программе "Стабильное развитие Кузбасса: (человек - природа - ресурсы - прогресс)".
Цель работы. Изучение основных закономерностей формирования структуры чугуна при кристаллизации и термической обработке чугунного расплава, изучение металлографических особенностей формирования выделений графита и их природы в связи с присутствием водорода, азота и кислорода, а также создание технологий получения чугуна без выделений графита при любых условиях кристаллизации с такими же или более высокими технологическими и служебными свойствами по сравнению с традиционно легированными дорогостоящими чугунами.
Научная новизна. С помощью систематического металлографического анализа чугуна, залитого из домны и не подвергавшегося каким-либо дополнительным воздействиям, экспериментально подтверждена правомочность одинарной диаграммы Fe -Fe3C.
Впервые при нагреве первородного доменного чугуна, залитого непосредственно из домны, установлены температурные интервалы максимального изменения объемной доли графита - 200-300С, 400-450С, 550-650С, 700-800С. Впервые металлографически представлена схема различных стадий закономерного распределения выделений графита к центру.
Впервые получены результаты, прямо указывающие, что растворение графита при термической обработке является результатом дегазации. Выдвинуто и экспериментально доказано положение о том, что образование графита в чугуне является результатом проявления одной из разновидностей водородной хрупкости. Установлено, что циклическая обработка расплава в интервале температур 1100-1550С удаляет выделения графита, а кристаллизация такого термоцшишрованного чугуна с очень малой скоростью (асбест, земляная форма) не приводит к его образованию. Показано, что термическая обработка термоциклированногочугуна с высоким содержанием водорода за счет быстрой кристаллизации (охлаждение расплава в воде и под давлением) позволила выявить растворение эвтектического цементита. Определено, что прочность нелегированного доменного чугуна без выделений графита превышает прочность серого чугуна с шіастинчашм и шаровидным графитом и прочность высоколегированных дорогостоящих чугунов специального назначения. Впервые показано, что удаление графита может быть получено при обработке чугунного расплава оксидными соединениями, углеводородными и углефтористыми веществами. Впервые установлен факт растворения эвтектического цементита в чугуне с ледебуритной структурой после нагрева в интервале 900-1000С с предварительной обработкой расплава кислородом и водяным паром. Показано, что физические, химические и механические свойства доменного чугуна без выделений графита могут быть равными или более высокими по сравнению с низко-, средне- и высоколегированными современными чу-
гулами, что открьтает перспективу его широкого применения в различных сферах производства.
Практическая значимость. На основании установленных в работе закономерностей выделения графита при кристаллизации разработаны новые научные положения по сущности формирования физических, химических лі механических свойств делегированного доменного чугуна без выделений графита. Предложен водородный механизм формирования выделений графита при кристаллизации и приведены подтверждающие результаты. Показаны перспективные пути практического использования доменного чугуна как нового высококачественного материала многоцелевого назначения со свойствами, превьппающими свойства имеющихся высоколегированных белых чугунов.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
особенности металлографии серого чугуна, залитого из домны №3 ОАО "КМК". Влияние условий кристаллизации. Влияние температуры и среды нагрева. Особенности микроструктуры после переплава в электродуговой и индукционной печах;
природа выделений графита в сером чугуне. Новые представления о производстве и свойствах серого чугуна. Выделения графита - одна из разновидностей водородной хрупкости;
термопиклическая обработка чугунного расплава для удаления выделений графита. Металлография низко- и высокотемпературной обработки;
новые способы обработки чугунного расплава твердыми веществами, удаляющие выделения графита. Смеси с водородсодержащими элементами. Обработка окис-ными соединениями. Обработка углеводородными и углефтористыми соединениями. Металлография изменения структуры после кристаллизации и термической обработки;
металлографические особенности структуры чугуна, подвергавшегося в расплавленном состоянии совместной и раздельной продувке азотом и водяным паром в 60-ти тонном ковше. Особенности поведения при термической обработке;
совместная продувка чугунного расплава кислородом и водяным паром, приводящая к удалению выделений графита и растворению выделений первичного цементита при термической обработке;
водородный механизм формирования выделений графита при кристаллизации и лилейное расширение, коррозионная стойкость, износостойкость, жаропрочность доменного чугуна, полученного на основании этого механизма. Инструмент из доменного чугуна без выделений графита.
Автору принадлежат постановка концептуальных положений и задач работы, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обработка, интерпретация и обобщение полученных данных, разработка перспективных путей практического использования результатов.
Апробадпя работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр "Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов" и "Технология металлов" Томского политехнического института (Томск, 1976-1980); региональных научно-практических конференциях "Ученые и специалисты - народному хозяйству" и "Технический прогресс в машиностроении" (Томск, 1975, 1977); научном семинаре кафедры "Оборудование и технология термической обработки металлов" ЛПИ (Ленинград, 1980); научном семинаре лаборатории физического металловедения института физики металлов УНЦ
АН СССР (Свердловск, 1980); научно-практической конференции ученых НГАУ и Гумбольдского университета (Новосибирск, 1995); региональной научно-практической конференции "Интеллектуальные ресурсы ХТИ КГТУ - Хакасии" (Абакан, 1997); шестой международной научно-практической конференции "Геїшая инженерия в снлавах" (Самара, 1998); четвертом собрании металловедов России (Пенза, 1998); XXXIV Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Тамбов, 1998); международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1998); международном симпозиуме "Новое поколение инструментальных сталей и специальных материалов фирмы "BOHLER" (Москва, 1998), научном семинаре кафедр "Физика металлов" и "Металловедепие и термическая обработка металлов" СибГИУ (Новокузнецк, 1999).
Публикации. По результатам выполненной диссертационной работы имеется 49 публикаций, в том числе 7 патентов РФ на изобретения и монография "Прогрессивные способы повышения свойств доменного чугуна" - Кемерово, Кузбас-свузиздат, 1999,258 с.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 332 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, основных выводов, приложения, содержит 103 таблицы, 169 рисунков и список литературы из 330 наименований.
