CC BY
53
experience / Charles J., Vernean M., Audouad J.-P., Demars S. // Stainless Steel World 99 Conf on Corrosion-Resistant Alloys (16-18 Nov. 1999, Hauge, Netherlands), 10.
1999. - P. 473-485.
5. Зумельзу Е. Влияние д-феррита на коррозийное пове- 11. дение сварных соединений нержавеющих сталей 304 и
361 L в 6 %-ном растворе FeC^ / Е. Зумельзу, К. Кеба- 12.
сас, Х. Супельведа // Защита металлов. - 1998. - № 6. -С. 603-608.
6. Лившиц Л. С. Металловедение сварки и термическая 13. обработка сварных соединений / Л. С. Лившиц,
А. Н. Хакимов. - М. : Машиностроение, 1989. -335 с.
7. Балицький О. I. Мщнютъ зварних з'еднань Gr-Mn сталей з тдвищеною концентращею азоту у водневовмю-
них середовищах / О. I. Балицький // Фiзико-хiмiчна 14.
механжа матерiалiв. - 2009. - № 1. - С. 88-96.
8. Галицький О. Воднева деградащя зварних з'еднань ви-сокоазотних хромо-маргенцевих сталей / О. Балицький, I. Костюк, Р. Ф^урка, Я. Хмель. // Машинознав- 15. ство. - 2007. - № 5 (119). - С. 3-7.
9. Особенности современных установок для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах / [М. В. Карасев, Е. М. Вышемирский, В. И. Бес-
палов и др.] // Автоматическая сварка-2004. - № 12. -С. 38-41.
Томаров М. А. Неорганическая химия / Томаров М. А. -М. : Медицина, 1974. -480 с.
Жук Н. П. Курс теории коррозионной защиты металлов. / Жук Н. П. - М. : Металлургия, 1976. - 472 с. Александров А. Г., Наривский А. Э. Дуговая сварка металлов : справочник / А. Г. Александров, А. Э. Наривский. - Д. : Лира, 2004. - 144 с.
Техника борьбы с коррозией / [Юхневич Р., Богданович В., Валашковский Е., Видуховский А.] ; [пер. с польск.] / Под ред. Сухотина А. М. - Л. : Химия 1980. -224 с. ил. Варшава: школьное и педагогическое издательство, 1976.
Посудини та апарати. Вибiр параметрiв змщнювально-го оброблення: ДСТУ 4003-200 - [Чинний вщ 2001-0101]. - К. : Держспоживстандарт Украши, 2006. - 16 с. -(Нацюнальний стандарт Украши). Сосуды и аппараты. Выбор параметров упрочняющей обработки. Методы расчета на прочность с учетом упрочнения : РД 24.200.18-90. - [Чинний вщ 1996-0101]. - Х. : ОАО «НИИхиммаш», 1990. - 12 с.
Одержано 08.07.2009
Обоснована технология сварки и замена термообработки на гидрообработку сепаратора гидроочистки нефтепродуктов.
Technology of welding and the replacement of heat treatment for hydra treatment of the separator for hydro cleaning of petroleum products was proposed.
УДК 621.74.669.16:621.74.669.13
Канд. техн. наук М. О. Матвеева Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТИТАНА И ХАРАКТЕРИСТИК ШИХТЫ НА УДЕЛЬНУЮ ПЛОТНОСТЬ ОТЛИВОК
Рассмотрено влияние титана, характеристик шихты и процесса плавления на удельную плотность отливок из серого чугуна. Определено, что с увеличением содержания титана плотность экспериментальных чугунов уменьшилась. Также установлен различный характер наследственности при легировании титаном серого и белого чугунов.
Удельная плотность металла отливки является одним из самых важных свойств чугуна. От этой характеристики зависят механические и эксплуатационные свойства отливок, такие как износостойкость, коррозионная стойкость, обрабатываемость и герметичность.
Анализ состояния вопроса
В ранних работах [1] отмечается, что удельный вес чугуна зависит, главным образом, от его состава и степени графитизации, а также от условий первичной кристаллизации. Почти все элементы, встречающиеся в чугуне, особенно с малым удельным весом (С, 81, А1), уменьшают и его удельный вес. Отмечено особо интенсивное влияние элементов, способствующих или
© М. О. Матвеева, 2009
тормозящих графитизацию, т.к. в процессе графити-зации удельный объем чугуна увеличивается. Чем больше углерода и графита, чем крупнее его выделения и чем больше газовая и усадочная пористость, тем меньше удельный вес чугуна.
Для серого чугуна плотность тем выше, чем ниже содержание углерода и кремния и чем меньше графита в его структуре [2].
В работе [3] приведены исследования взаимосвязи удельной плотности серого чугуна и величины углеродного эквивалента (СЕ). Установлено, что с увеличением СЕ и, следовательно, с уменьшением величины интервала затвердевания (ДТ) и с увеличением количества графита в структуре плотность доэвтектичес-
кого чугуна уменьшалась по линейному закону. Повышение г чугуна соответствует увеличению его твердости. Так в условиях опытов было установлено, что повышение г на каждую 0,01 г/см3 соответствовало повышению твердости НВ примерно на 5 ед. Также повышение плотности в пробе на каждые 0,03-0,04 г/см3 увеличивает ст на ~ 10 МПа.
Изменение удельного объема железа в зависимости от концентрации в сплаве других элементов представлены в работе [4]. Но в этих исследованиях влияние титана не рассматривалось. Имеются сведения [2], что в малом количестве титан, связывая некоторое количество углерода, увеличивает устойчивость жидкой фазы и несколько увеличивает плотность отливки. В настоящее время небольшие количества титана являются неизбежной примесью в чугунах, поэтому вопросы определения его влияния на различные свойства отливок являются актуальными.
Результаты исследования структуры и поверхностных свойств жидких чугунов [5] свидетельствуют о наследственном влиянии структуры шихтовых материалов, в частности числа и формы графитовых включений на свойства расплава. При этом определяющую роль могут играть микропримеси, например титана, которые не только усиливают энергетическую неравноценность различных межатомных взаимодействий, но и приводят к появлению ощутимых структурных особенностей в твердом металле.
В [6, 7] отмечено, что особенно высокие требования в отношении наследственности должны предъявляться к шихтовым материалам для особо ответственного литья.
Задача исследования
При определяющем влиянии на плотность серого чугуна содержания углерода и кремния, влияние отдельных элементов на структуру и свойства сплавов железо-углерод многообразно и так же велико количество дополнительных факторов, которые могут изменять влияние того или иного элемента. Поэтому в настоящей работе продолжены исследования по определению влияния титана, характеристик шихты и процесса плавления на свойства отливок из серого чугуна, в частности на их удельную плотность [8].
Методики исследований
Плотность чугуна определяли методом гидростатического взвешивания с точностью 0,001 г/см3. Образец, не содержащий трещин и пустот, взвешивали на аналитических весах на воздухе и в четыреххлористом углероде. Плотность образца вычисляли по формуле: Р
в -(Сж -0,0012) + 0,0012. (1)
С обр.
Р - Р
1 в 1 ж
Методики остальных методов исследований: получение экспериментального сплава, химический и металлографический анализы приведены в [8, 9].
Обсуждение результатов. В исследованиях возрастающие примеси титана вводили в базовый чугун сле-
дующего состава (%, по массе): С 3,10±0,10; 81 2,0±0,2; Мп 0,60±0,05; Сг 0,2±0,05; 8 0,03±0,01; Р 0,04±0,01. Использовали две исходные лигатуры, которые при идентичном химическом составе имели структуры серого (Л1) и белого чугунов (Л2). Результаты измерений плотности приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Влияние титана на плотность чугуна и количество графит
№ п/п %, титана Плотность, кг/м3 Количество графита, %
Л1 - 7,36 10,88
Исх. - 7,15 19,0
1,1 0,017-0,019 7,8 13,4
1,2 0,024-0,026 6,98 12,0
1,3 0,041-0,044 6,55 12,0
Л2 - 6,97 3,65
Исх. - 7,12 3,16
2,1 0,014-0,017 7,56 0,42
2,2 0,023-0,025 7,15 9,28
2,3 0,039-0,042 7,20 11,59
На рис. 1 приведены зависимости плотности экспериментальных чугунов и исходных лигатур от содержания в них титана. Содержание углерода и кремния практически оставалось на одном уровне, поэтому влияние углеродного эквивалента не рассматривали.
Проанализируем полученные зависимости. Удельная плотность образца лигатуры Л1 составила 7,36 кг/м3, его микроструктура представляет собой серый чугун с перлито-ферритной матрицей и содержанием графита 10,88 %.
После плавления лигатуры получили чугун с 19,0 % графита и перлитной металлической матрицей, участков с цементитом, ледебуритом и ферритом не более 0,5 % по площади шлифа, при этом плотность образцов снизилась с 7,36 до 7,15 кг/м3. Это объясняется возросшим количеством графитной составляющей.
Присадка небольшого количества титана 0,0170,019 % при количестве углерода 13,4 % привела к увеличению плотности, что подтверждает сведения о том, что титан связывает некоторое количество углерода, увеличивает устойчивость жидкой фазы, что и приводит к увеличению плотности.
Но уже при дальнейшем увеличении содержания титана плотность образцов снижается, хотя количество графитной составляющей изменяется незначительно с 13,4 до 12,0 % по массе.
Полученные предположения подтверждаются, если проследить взаимосвязь между количеством графита и плотностью слитков чугуна (рис. 2). В образцах, не содержащих титана, плотность имела средние значения. Образцы с возрастающим количеством титана имели примерно одинаковое количество графита 12,013,4 %, но разную плотность.
Изменение плотности чугуна в зависимости от количества графита не является в экспериментальных
7,9
7,7
7,5
7,3
7,1
8,3
6,7
3.5
„___ - ^ч -
\ __ г^Г^ЖГ
■ л лг.№1
-Полиномиальный (Лиг.№1) — - -Полиномиальный (Л иг. N82) I \
и2 ( 0,6604*
Рис. 1. Влияние титана на удельную плотность чугуна
Количество I
Рис. 2. Влияние количества графита на плотность слитков, полученных из шихты со структурой серого чугуна
плавках однозначным. Не обнаружено известной зависимости, что с увеличением количества графита плотность уменьшается. Поэтому проанализируем возможность влияния других факторов. Металлическая матрица образцов с возрастающим содержанием титана - это перлитный чугун (вторичных включений цементита не более 0,5 %). Можно предположить, что в присутствии титана определяющим фактором является морфология Г (форма, распределение, длина включений). Так, в слитке Л1 форма включений графита пластинчатая прямолинейная с длиной включений ПГд350 и с равномерным распределением. После плавления высокоуглеродистая фаза однородная, но с другими морфологическими особенностями - форма включений пластинчатая завихренная Гф2, длина включений ПГд90 и ПГд180, распределение включений неравномерное ПГр2.
При содержании титана 0,017-0,019 % образец почти полностью состоит из пластинчатого прямолинейного графита, пластинчатый завихренный встречает-
ся в отдельных участках. При дальнейшем увеличении содержания титана - количество графита этой формы увеличивается и при 0,041-0,044 % титана его количество составляет 97 %. Длина включений в слитках опытного чугуна была от ПГд15 до ПГд180, прослеживалась тенденция к уменьшению длины пластин.
С увеличением содержания титана до 0,041-0,044% доля графита с междендритным пластинчатым распределение становилась преобладающей. Этим и может быть обусловлено снижение плотности слитков.
Анализ серии плавок с лигатурой из серого чугуна позволяет сделать следующие выводы:
- при содержании титана до 0,020 % он связывал некоторое количество углерода, увеличивал устойчивость жидкой фазы, и в этом концентрационном интервале плотность слитков чугуна была самой высокой;
- с увеличением содержания титана плотность образцов экспериментальных чугунов уменьшается, что обусловлено влиянием Т1 на образование графита с межден-
дритным пластинчатым распределением;
- влияние металлической матрицы и количества графита на плотность не обнаружено.
Удельная плотность образца лигатуры Л2 составила 6,97 кг/м3. Слиток Л2 имел исходную плотность ниже, чем образец Л1 (табл. 1). Микроструктура образца Л2 - это перлито-цементитный белый чугун, в некоторых участках которого выделяется небольшое количество графита (3,65 %, по массе), вокруг графита - зерна феррита ~ 2,0 %. Эта лигатура имела более низкую плотность из-за наличия цементита, который в нелегированном состоянии менее плотный (7,69 г/см3), чем перлит (7,85 г/см3) и феррит (7,87 г/см3).
После плавления плотность возросла до значений, сравнимых с первой серией плавок. Соответственно количество графита уменьшилось до 3,16 %. Металлическая матрица - перлит, цементит, ледебурит. Феррит не обнаружен. Количество перлита и ледебурита увеличилось, по сравнению с исходным, цементита стало меньше. Большая твердость обусловлена умень -шением количества графита и цементита и большим количеством ледебурита и перлита.
В образце с содержанием титана (0,014-0,017%) плотность продолжала увеличиваться. Количество углерода 0,42 % и он находится в виде отдельных мелких включений. Такое количество титана при исходной структуре белого чугуна не повлияло на графити-зацию, металлическая матрица - 50,3 % перлита и 44,1 цементита, остальное ледебурит.
При дальнейшем увеличении содержания титана плотность снизилась на 5 % (в предыдущей серии плавок на 16 %) и зафиксировалась на уровне 7,15-7,20 кг/м3. До содержания титана 0,025 % в структуре металлической матрицы все еще остается большое количество цементита (43,8%) и ледебурита (5,1 %). Количество графита увеличилось до 9,3 %. И только при 0,0390,042 % титана металлическая матрица становится перлитной, графитной составляющей - 11,6 %.
В этой серии плавок морфология графитных включений также изменялась, но графита выделялось меньше, и его влияние было незначительным, по сравне-
нию с остальными структурными составляющими. В самой лигатуре Л2 графит гнездообразный с междендритным пластинчатым распределением или точечный. После плавления - форма включений из гнездо-образной полностью стала пластинчатой завихренной, включения удлинились, единичных включений нет. При содержания титана свыше 0,025 % - форма включений Г переходит в основном в пластинчатую прямолинейную, но и завихренная также сохраняется. Тенденций к уменьшению длины пластин и к образованию междендритного графита с увеличением содержания титана не установлено.
По результатам этой серии плавок установлено, что в образцах, выплавленных с использованием лигатуры из белого чугуна плотность осталась более высокой, чем в плавках на лигатуре из серого чугуна и более стабильной (разброс значений в пределах 6,97-7,56 кг/м3). Это можно объяснить тем, что при вводе титана в СЧ сильнее выражен его графитизирующий эффект, а при вводе в белый чугун он стабилизирует ледебурит и меньше влияет на плотность, определяющим является количество структурных составляющих.
Для экспериментальных отливок исследовали соответствие между г опытных чугунов и их твердостью, а также микротвердостью структурных составляющих. Результаты определения твердости и микротвердости перлита взяты из предыдущих исследований авторов [8].
Анализ зависимостей приведенных на рис. 3, 4 для образцов полученных из лигатуры, имеющей структуру серого чугуна, позволяет сделать следующие заключения: для слитков чугуна, не содержащих титан, верным остается положение о том, что чем выше плотность, тем больше твердость. Но при вводе титана свыше 0,02 % с увеличением твердости плотность умень -шается (рис. 3). Для микротвердости перлита получена практически идентичная зависимость (рис. 4), что подтверждает достоверность экспериментальных данных. Титан в определенных концентрациях, способствуя образованию графита с междендритным распределением, ухудшает свойства чугуна.
Твердость, НЕС
Рис. 3. Влияние твердости слитков на плотность (шихта со структурой серого чугуна)
7,6
% 7>4 Л
Й- 7,2
6,8
6,6
6,4
/ : 14
Л1
к ИсхУ
3
\ 2
230,00
250,00
270,00
290,00
310,00
330,00
350,00
Л! икр отпер д о ет ъ перлита, кг/ми"
Рис. 4. Влияние микротвердости перлита на плотность слитков (шихта со структурой серого чугуна)
7,70
7,60
7,50
£ 7,40 Й 7,30
7,20
7,10
7,00
6,90
1
4
Исх. к
Л2
17,00
22,00
27,00
32,00
37,00
42,00
47,00
Твердость, НКС
Рис. 5. Влияние твердости слитков на плотность (шихта со структурой белого чугуна) 7,70
7,60
7.50
£ 7,40
7,30
7,20
7,10
7,00
6,90
> 1
/ 4
2
Л2 Исх.
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
М икр отиердость перлита, кг/мм"
Рис. 6. Влияние микротвердости перлита на плотность слитков (шихта со структурой белого чугуна)
Зависимость плотности образцов, полученных на лигатуре Л2, от твердости и микротвердости перлита носит немонотонный характер (рис. 5, 6).
Обращает внимание факт, что образец после плавления и с содержанием титана 0,023-0,025 и 0,0390,042 имеют практически одинаковую плотность, но существенно разную твердость (рис. 5).
Анализ твердости экспериментальных слитков показал, что ее значение в большей степени определяется количеством карбидной составляющей в структуре слитка после того, как количество цементита стало менее одного процента, твердость резко снизилась и плотность осталась на среднем уровне. Образец с самой высокой плотностью и достаточно высокой твердостью имеет структуру белого чугуна.
Зависимость плотности миктротвердости перлита не полностью идентичная (рис. 6), потому что, как уже отмечалось выше, структура, кроме перлита, включает цементит и ледебурит. Но в целом подтверждает сделанные выводы.
Для того чтобы проверить, как плотность влияет на эксплуатационные свойства отливок, были проведены исследования коррозионной стойкости экспериментальных чугунов в разных средах.
В результате проведенных исследований установлено, что присутствие в чугуне титана в количестве от 0,017 до 0,044 % ухудшает его коррозионную стойкость в кислой и нейтральной средах. Анализ результатов поляризационных кривых позволил установить, что при увеличении содержания титана в исследуемых концентрациях максимальный ток растворения возрастает на 33 % (с 9900 до 14735 А/м2). Доказано, что коррозионные поражения локализуются в основном возле включений графита.
Выводы
В обеих сериях плавок установлено влияние процесса плавки металла на характеристики графита, состав и количественные соотношения структурных составляющих. Что еще раз свидетельствует о большом количестве факторов, оказывающих влияние на качество и свойства отливок.
При анализе отливок, полученных на лигатуре из серого чугуна, установлено, что при содержании титана до 0,020 % плотность слитков была самой высокой, так как он увеличивал устойчивость жидкой фазы
и связывал некоторое количество углерода. С увеличением содержания титана плотность экспериментальных чугунов уменьшилась, что обусловлено образованием графита с междендритным пластинчатым распределением.
По результатам серии плавок с использованием лигатуры из белого чугуна установлено, что плотность образцов осталась более высокой, чем в плавках на лигатуре из СЧ, и более стабильной (разброс значений в пределах 6,97-7,56 кг/м3). При вводе титана в СЧ сильнее выражен его графитизирующий эффект, а при вводе в БЧ он стабилизирует ледебурит и меньше влияет на плотность, определяющим является количество структурных составляющих.
Установлен различный характер наследственности при легировании титаном серого и белого чугунов. Полученные результаты исследований необходимо принимать во внимание при плавке промышленных чугунов, поскольку будут иметь место различное структурообразование и эксплуатационные свойства, в частности устойчивость к коррозии.
Перечень ссылок
1. Гиршович Н. Г. Чугунное литье / Н. Г. Гиршович. - М. : Металлургиздат, 1949. - 562, [1] с. - (Первоисточник).
2. Чугун / [Шерман А. Д., Жуков А. А., Абдуллаев С. В. и др.] ; под ред. А. Д. Шермана и А.А.Жукова. - [1-е изд.]. -М. : Металлургия, 1991. - 576 с.
3. Каленов В. П. Удельная плотность серого чугуна и качество отливок / В. П. Каленов // Литейное производство. - 1982. - № 9. - С. 3-4.
4. Леви Л. И. Литейные сплавы / Л. И. Леви, С. К. Канте-ник. - М. : Высшая школа, 1967. - 435 с.
5. Влияние исходной структуры чугунов на поверхностное натяжение их расплавов / [Е. Е. Третьякова, М. В. Ровбо, О. П. Хакимов, В. С. Чуркин] // Литейное производство. -1991. - № 4. - С. 11-12.
6. Писаренко Л. 3. О наследственности чугунок / Л. З. Пи-саренко, С. Ф. Лукашевич // Литейное производство. -2002. - № 7. - С. 14-16.
7. Никитин В. И. Новые литейные технологии с использованием явления наследственности/ В. И. Никитин // Литейное производство. - 1997. - № 5. - 12 с.
8. Матвеева М. О. Влияние титана на формирование структуры чугуна. Металознавство та термшчна обробка ме-талiв / М. О. Матвеева, О. М. Шаповалова // При-дншровська державна академшя будiвництва та архтек-тури. - 2008. - № 1. - С. 65-75.
0держано25.03.2009
Po3znHHymo enme mumaHy, xapaKmepucmuK Muxmu ma npo^cy nnaeneHHH Ha numoMy густину emueme i3
сiрoгo uaeyHy. Bu.3HmeHO, w,o 3i 36inbMeHH%M eMicny mumaHy гyсnuнa eKcnepuMeHncmbHux uaeyHie .meHMUMacx.
TckowycmcHoernHuu pi3Huu xcpcKmep cncdKoeocmi npu мегyecннi mumcHOM сiрoгo i 6inoгo uaeyHie.
Influence of titanium, charge characteristics and melting process over specific density of cast-iron moulds. It was found that with titanium increase the density of experimental cast-irons decreases. It was also found the different character of inheritance with titanium alloying of grey and white cast-irons.
