CC BY
41
1 (86), 2017
ПРОИЗВОДСТВО
■
УДК 669.15
Поступила 26.12.2016
КОМПЛЕКСНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ СЕРОГО ЧУГУНА COMPLEX MODIFICATION OF GRAY CAST IRON
О. С. КОМАРОВ, Е. В. РОЗЕНБЕРГ, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: komarov_metolit@tut.by,
К. Э. БАРАНОВСКИЙ, ГП «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник», г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24
O. S. KOMAROV, E. V. ROZENBERG, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. E-mail: komarov_metolit@tut.by,
K. E. BARANOWSKI, Scientific and Technological Park of the BNTU «Polytechnic», Minsk, Belarus, 24, Kolasa str.
Исследовали влияния комплексного модификатора химически-активными и поверхностно-активными добавками серого чугуна на величину отбела и ширину зоны половинчатого чугуна. В процессе исследований определяли ширину зоны отбела и половинчатой структуры в торцевой части стержней различного диаметра, отлитых на массивной стальной плите, а также в стандартных клиновых пробах. Установлено, что дополнительное введение поверхностно-активного висмута в состав различных графитизирующих модификаторов способствовало сокращению ширины зоны полного отбела и зоны половинчатого чугуна. Установлено, что комплексные модификаторы, состоящие из химически-активных и поверхностно-активных компонентов, эффективны в борьбе с отбелом в отливках из серого чугуна и могут рекомендоваться для применения в литейных цехах предприятий машиностроительного профиля для получения качественных отливок.
The influence of the complex modifier by chemical - active and surface-active additives of gray cast iron on the size of chill and on the width of molted iron zone was researched. The width of a chill zone and molted iron zones were measured at chank ends of various diameter cores. The cores were casted on a massive steel plate and also in standard chill tests. It was established that additional adding of surface-active bismuth in structure of various graphitizing modifiers promoted to reduce the width a chill zone and molted iron zones. It was established that the complex modifiers consisting of chemical - active and surface-active components are effective in fight with chill in cast iron castings and can be recommended for application in foundry shops of the entities of a machine-building profile for production of high-quality castings.
Ключевые слова. Серый чугун, ледебурит, отбел, структура, модифицирование. Keywords. Gray cast iron, ledeburite, chill, structure, modification.
Модифицирование является одним из наиболее простых и дешевых способов управления первичной структурой литейных сплавов. Особенно актуально оно для серого чугуна, так как позволяет устранить отбел в тонкостенных отливках, появление которого ухудшает обрабатываемость отливок и требует проведения дополнительной термической обработки с целью разложения цементита в отбеленных частях отливки.
Наибольшее распространение в качестве модификаторов получили добавки на основе кремния, дополнительно содержащие барий, стронций, кальций, редкоземельные и другие химически-активные элементы. Исследователи сходятся во мнении, что механизм действия так называемых графитизирующих добавок связан с локальными перенасыщениями, которые возникают в расплаве чугуна при растворении кремния, и с «загрязнением» расплава чугуна неметаллическими включениями (сульфиды, оксиды, нитриды и карбиды), образующимися в расплаве вследствие ввода химически-активных компонентов [1].
Помимо химически-активных модификаторов, в практике литейного производства применяются поверхностно-активные элементы (Te, Bi, Sb и др.), которые задерживают рост центров кристаллизации при охлаждении расплава, вследствие чего увеличивается его переохлаждение, что стимулирует появле-
ГЛГ,ТГ~Г: г: ГЛ^ГГТ^АТГГГГГз /
-1 (86), 2017 /
Рис. 1. Устройство для проведения экспериментов: 1 - расплав образца; 2 - ам- Рис. 2. Влияние добавок Се и Bi на образование цен-пула; 3 - кварцевая трубка; 4 - пробка; 5 тров кристаллизации в чугуне: 1 - добавка 0,1% Се; 2 - термопара - добавка 0,002% Вц 3 - исходный чугун
ние новых зародышей. Считается, что в сером чугуне модифицирование поверхностно-активными элементами может повысить риск появления отбела в связи со снижением температуры расплава ниже температуры образования ледебурита. Можно представить такую ситуацию, что при введении комплексного модификатора (химически-активный вместе с поверхностно-активными веществами) первые уменьшат переохлаждение, увеличивая число центров, а вторые, замедляя их рост, увеличат переохлаждение, вызовут образование новых зародышей, что, в конечном итоге, делает модифицирование более эффективным [2].
С целью непосредственного изучения влияния добавок церия и висмута на процесс зарождения центров кристаллизации проведена серия экспериментов с закалкой образцов в начальной стадии кристаллизации. В ходе проведения опытов (рис. 1) образцы чугуна 1 состава 3,6% С; 1,9% Si; 0,6% Мп; 0,02% S; 0,05% Р плавили в кварцевых ампулах 2 диаметром 23 мм.
При температуре 1400 °С в расплав вводили 0,1% Се или 0,02% Вь Эталонный образец не модифицировали. Через отверстия в керамической пробке 4, закрывающей ампулу сверху, при температуре 1200 °С в чугун вводили шесть кварцевых трубок 3 внутренним диаметром 3 мм. В одной из них находилась хромель-алюмелевая термопара 5 диаметром 0,2 мм, защищенная кварцевым наконечником диаметром 1 м. Пять трубок, не содержащих термопар, поочередно извлекали на начальных стадиях кристаллизации эвтектики и закаливали в холодной воде. Полученные образцы исследовали под микроскопом в нескольких сечениях. Результаты подсчета количества центров кристаллизации приведены на рис. 2 (в исходном чугуне 3, с добавкой церия 1, с добавкой висмута 2).
Здесь же показаны кривые изменения температуры на начальных стадиях кристаллизации. Как и следовало ожидать, добавка церия снизила переохлаждение и увеличила число центров кристаллизации (кривая 1). Висмут задержал начало процесса кристаллизации, тем не менее, он способствовал увеличению конечного числа эвтектических ячеек (кривая 2) по сравнению исходным чугуном (кривая 3).
Важно отметить, что при превышении необходимого количества добавки поверхностно-активного вещества существует опасность повышения отбела за счет резкого увеличения переохлаждения и попадания в температурную зону образования цементита. В связи с изложенным выше представляло интерес исследовать совместное влияние химически- и поверхностно-активных добавок (современный гра-фитизирующий модификатор для чугунов с добавкой висмута) на величину отбела в серых чугунах. Ис-
а б
Рис. 5. Микроструктура образцов диаметром 40 мм на одинаковом расстоянии от холодильника (3,0-3,5 мм). *50: а - с добавкой графитизирующего модификатора; б - графитизирующий модификатор с добавкой Bi
следования проводили при модифицировании чугуна (2,9% С; 2% Si; 0,82% Мп; 0,12% Сг; 0.12% S; 0.08% Р; 0,15% Си) индукционной плавки.
Расплав заливали в формы из холоднотвердеющей смеси (ХТС) со сквозными цилиндрическими образцами диаметром 40, 25 и 10 мм (рис. 3). Формы устанавливали на чугунную плиту-холодильник, предварительно окрашенную противопригарной краской.
Заливали три формы: без модифицирования; 0,2% графитизирующего модификатора «НЬаса1» (Индия); 0,2% графитизирующего модификатора «НШаса1» + 0,04% поверхностно-активного элемента Вь
Из нижней части отливок (рис. 4, а) изготавливали шлифы в продольном направлении (рис. 4, б). После травления [3] шлифов на оптическом микроскопе при увеличении 50 определяли зону полного отбела М и ширину переходной зоны (содержание цементита 5%) h2 (рис. 4, б). Отсчет ширины зон производили от торцовой поверхности образцов, прилегавшей к холодильнику. Результаты исследования образцов диаметром 25 мм приведены в табл. 1, а образцов диаметром 40 мм - в табл. 2.
Таблица 1. Отбел в образцах диаметром 25 мм
Отбел Без добавок 0,2% модификатора 0,2% модификатора + 0,05% ВШ
Полный отбел, мм 18-19 3 3
Переходная зона, мм 31-32 10 10
Таблица 2. Отбел в образцах диаметром 40 мм
Отбел Без добавок 0,2% модификатора 0,2% модификатора + 0,05% ВШ
Полный отбел, мм 18-19 1,5-2,0 2
Переходная зона, мм 28-29 5-6 3
ГГГТТг^ гг ПТГТГТ^ЛТГГГГГГ /10
-1 (86),2017 I Шч9
а б в
Рис. 6. Клиновидные пробы на отбел: а - 0,2% графитизирующего модификатора производства РФ; б - 0,2% графитизирую-щего модификатора; в - 0,2% графитизирующего модификатора с 0,005% висмута
В образце диаметром 10 мм (не модифицированном, модифицированном и модифицированном с добавкой висмута) по всей длине наблюдали структуру ледебурита. В образцах диаметром 25 мм в связи с большой скоростью охлаждения висмут не способствовал устранению отбела. Его положительное влияние сказалось в образце диаметром 40 мм путем резкого сокращения ширины переходной зоны. На рис. 5 приведены структуры образцов диаметром 40 мм на одинаковом удалении от холодильника (3,03,5 мм). В образце без добавок модификатора наблюдалась структура ледебурита, с добавкой модификатора «НЬаса1» - структура цементит + графитная эвтектика (рис. 5, а), а в комплексно-модифицированном образце на этом участке количество цементита не превышает 5% (рис. 5, б).
Для проверки результатов в промышленных условиях эксперименты проводили в литейном цеху № 1 ОАО «МТЗ».
Обработку расплава серого чугуна состава 3,38% С; 2,06% Si; 0,73% Мп; 0,18% Сг; 0,17% Си; 0,07% Р; 0,08% S проводили модификаторами в заливочном ковше. Вводили смесевой графитизирующий модификатор, разработанный совместно с БНТУ и ООО «ПолитегМет», а также тот же модификатор с добавлением 0,005% Вь Для сравнения результатов изготавливали образцы по принятой на заводе технологии модифицирования (графитизирующий модификатор производства РФ).
Величину отбела определяли на клиновидных пробах (рис. 6, табл. 3). Из рисунка и таблицы видно, что комплексное модифицирование более эффективно снижает величину отбела и ширину зоны половинчатого чугуна по сравнению с модифицированием химически-активными добавками.
Таблица 3. Отбел в клиновидных пробах
Вводимый модификатор Полный отбел, мм
0,3% графитизирующего модификатора производства РФ (заводская технология) 9
0,3% графитизирующего модификатора 7
0,3% графитизирующего модификатора с 0,005% висмута 4
Из таблицы следует, что добавление 0,005% Bi к модификатору снижает отбел.
Эксперименты показали, что комплексное модифицирование чугуна с высоким углеродным эквивалентом более эффективно, чем чугуна с низким содержанием углерода и кремния. Это можно объяснить тем, что, чем меньше углеродный эквивалент чугуна, тем ближе к температуре образования ледебурита протекает эвтектическое превращение в чугуне. Введение поверхностно-активной добавки замедляет рост эвтектических колоний, способствуя переохлаждению расплава и зарождению ледебурита. В связи с этим важным фактором становится величина добавки, которая должна уменьшаться для чугунов с низким углеродным эквивалентом.
Выводы
Исследования непосредственного влияния химически-активной (Се) и поверхностно-активной добавки (В^ на процесс зарождения центров кристаллизации аустенито-графитной эвтектики показали, что они способствуют увеличению конечного числа эвтектических ячеек, при этом химически-активные добавки снижают величину переохлаждения, а поверхностно-активные увеличивают.
И/ А ггттгп г: гсг-гшгггггг,г_
I 1 (86), 2017-
Установлено, что в отливках из серого чугуна комплексное модифицирование химически- и поверхностно-активными веществами более эффективно в борьбе с отбелом, но применять его желательно для чугунов с высоким углеродным эквивалентом и для отливок со сравнительно толстыми стенками, а величину добавки висмута корректировать исходя из конкретных условий производства.
Литература
1. Некоторые вопросы теории встречного модифицирования чугуна / А. В. Афонаськин, О. Д. Опалихина, А. А. Жуков // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. № 7. С. 12-13.
2. Комаров О. С. Термокинетические основы кристаллизации чугуна / О. С. Комаров Мн.: Наука и техника, 1982. 262 с.
3. Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. М. Беккерт, Х. Клемм. 2-е изд. М.: Металлургия, 1988. 400 с.
References
1. Afonas'kin A. V., Opalihina O. D., Zhukov A. A. Nekotorye voprosy teorii vstrechnogo modificirovanija chuguna [Some questions of the theory of counter modification of cast iron]. Izvestiya vuzov. Chernaja metallurgija = News of fligner Educational Institutions. Chernaya metallurgy, 1991, no. 7, pp. 12-13.
2. Komarov O. S. Termokineticheskie osnovy kristallizacii chuguna [Thermokinetic foundations of iron crystallization]. Minsk, Nauka i tehnika Publ, 1982. 262 р.
3. Sposoby metallograficheskogo travlenija [Methods metallographic etching]. Spravochnik. Perevod s nemeckogo. M. Bekkert, H. Klemm. 2-e izdanie Moscow, Metallurgija Publ, 1988. 400 p.
