НОВЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ЧУГУННОГО РАСПЛАВА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

4«

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕСС:

Рис. 3. Зависимость ингегральной температурно-временной характеристики от процентного содержания углерода в стали

Т,°С 1200 1000

800 727 600

1

/ /А .3

У

V

О 5,2 10,4 1Ъ,Ь 2и,Ь 21,Ь 26,8 32 37,2 42.4 47,6

Т/10"3 С

Рис. 4. Термические цикпы при нагреве стали У8 электронным лучом в атмосфере (Бне вакуума): 1 - як=25,95-107 Вт/м2, ^=1,768 мм, \/и=55 мм/с, Т^ = 1233 °С, Тв=0,046 с, \/н=49100 °С/с; 2 - яи=23.8 Ю7 Вт/м2, с!и=1,916 мм, Уи= 60 мм/с, Т™ = 1196 °С, Тв =0.052 с, Уи=36370 °С/с; 3 - яи=16,4 Ю7 Вт/м2, с1и=1,916 мм, Уи=40 мм/с, Т™, = 1110 °С, Тв =0.055 с, V =21240 °С/с.

На рис. 4 представлены три различных термических цикла, реализованных в поверхностном слое материала при нагреве электронным лучом в атмосфере, которые имеют разные численные значения параметров термических циклов, но одинаковую характеристику Б = 11,1 °С-с. С точки зрения завершенности процесса аустенитизации стали

эти три режима равноценны. В связи с этим следует отметить, что заданное значение интегральной характеристики может быть получено при различных сочетаниях технологических режимов обработки: скорости V», размера dM и удельной мощности qM источника нагрева. Необходимое сочетание этих параметров можно получить, используя программу оптимизации со многими критериями. В качестве критерия оптимизации могут быть выбраны такие параметры как максимальная производительность и минимальные энергозатраты обработки.

Литература

1. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка: Вопросы металловедения и технологии. - Л.: Машиностроение, 199С. - 239 с.

2. Кидин И. Н. Физические основы электротермической обработки материалов и сплавов. - М.: Металлургия, 1969.-376 с.

3. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев, Ю.Я. Мешков, С.П. Ошкодеров, В.И. Трефилов. - Киев: Наукова думка, 1973. - 335 с.

4. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. -М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.

5. Основы лазерного термоупрочнения сплавов: Учеб. пособие для вузов / А.Г. Григорянц, А.Н. Сафонов. -М.: Высш. шк., 1988. - 159 с.

6. Иоапциоский В.В. Численное моделирование температурных полей в материалах при упрочнении с использованием концентрированных объемных источников нагрева // Научный вестник НГТУ - 2004. - № 2. - С. 161 - 172.

7. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Связь параметров термических циклов, реализуемых в поверхностных слоях деталей машин, с глубиной упрочнения при воздействии объемных концентрированных источников нагрева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. -2004. - № 10. - С. 30-34.

8. Иванцивский В.В. Поверхностное упрочнение стали электронно-лучевой обработкой в атмосфере // Известия тульского государственного университета / Серия электрофизико-химические воздействия на материалы. - 2004. -Вып. 5.-С. 96- 107.

Новые способы обработки чугунного расплава

В.К. АФАНАСЬЕВ, академик РАЕН, профессор, доктор техн. наук, A.B. КОЛЬБА, и.о. доцента, канд. техн. наук, СибГИУ, A.A. ЗОЛОТОВСКИЙ, начальник кузнечно-термического цеха ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», A.B. СОЧНЕВ, зам. директора по реконструкции Абагурского филиала ОАО «Ееразруда», В.Н. ТОЛСТОГУЗОВ, директор ОАО «Кузнецкие ферросплавы», г. Новокузнецк

Наличие выделений графита в микроструктуре губительно сказывается на всех свойствах отливок - твердости, прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и многих других, за исключением демпфирующей способности. Это ограничивает применение доменного чугуна и обусловливает его назначение, как материала для малоответственных узлов и деталей, которые нельзя использовать в экстремальных

24 №3(28)2005 'ШШШШШШШШШШ

условиях эксплуатации (при высоких степенях нагружения, при интенсивном абразивном воздействии, в коррозионно-агрессивных средах, при повышенных температурах и т. п.). Положительные черты влияния графита в отношении служебных свойств отливок заключаются лишь в том, что он улучшает обрабатываемость резанием и может выполнять роль смазки при трении, тем самым немного улучшая антифрикционные свойства.

*

ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

В современной металлургической практике выделения графита удаляют введением э расплав большого количества дорогостоящих легирующих элементов для связывания углерода в карбиды и получения структуры белого чугуна. Белый чугун в настоящее время применяется в зиде высоколегированного сплава, имеющего примерно от 10 до 50 % общего содержания легирующих элементов, главное назначение которых - удаление графита и придание отливкам в результате этого особых свойств (помимо износостойкости - это коррозионная стойкость в щелочах, кислотах, солях и т. д., жаропрочность и др.).

Кафедрой физики металлов Сибирского государственного индустриального университета совместно с ОАО «За-падно-Сибирский металлургический комбинат», ОАО «Кузнецкий машиностроительный завод», ОАО «Юргинс-кий машиностроительный завод» и ОАО «Производственное предприятие Томский инструмент» на протяжении более 15 лет иэыскиэались возможности превращения доменного чугуна в высококачественный материал с улучшен-ными механическими, физическими и химическими свойствами. Были разработаны способы улучшения свойств передельного чугуна с помощью простых по реализации недорогих способов обработки расплава без применения специального легирования и модифицирования. Получаемый в результате применения таких способов чугун без выделений графита (т. е. нелегированный белый) обладает высокой твердостью и прочностью даже в нетер-мообработанном состоянии [1].

При анализе патентных сведений в [1] сделан вывод о том, что фтор-, кислород- и углеродсодержащие вещества эффективны в составе модификаторов для измельчения структурных составляющих и улучшения механических свойств чугунов. В [2] освещены некоторые результаты обработки расплава доменного чугуна окисными соединениями и углеродсодержащими веществами. Эти вещества зачастую входят в состав технологических отходов производств ответственных изделий. К таким отходам нами в первую очередь были отнесены полимер тетрафторэтиле-

на (фторопласт С2Р4) и шлак производства синтетического силумина (химический состав шлака в вес. %: 2,5 МдО; 8,1 А1203; 1,7 ТЮ2; 42,78Ю2; 14 81; А1 - остальное). В настоящей работе подробно изложены особенности воздействия этих реагентов.

В качестве шихты использовались передельные доменные чугуны (химический состав приведен в табл. 1) производства ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат». Изготовление металлографических шлифов проводилось по стандартной методике (ГОСТ 6456-75). Микроструктура выявлялась травлением в течение 5 секунд в реактиве Ржешотарского - 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Изучение микроструктуры проводили с помощью оптического микроскопа МБИ-6. Количественный металлографический анализ (оценка объемной доли графита в пробах) для проверки эффективности модифицирования осуществлялся на автоматическом ырумурном анализаторе «ЕРЮиАЫТ» (Германия) при увеличении х200. Твердость и прочность отливок определялись стандартными методами.

С целью улучшения механических характеристик чугунных отливок был разработан способ [3]. Шихтовый чугун состава 1 (табл. 1) расплавляли в индукционной печи вместимостью 60 кг и доводили температуру до 1300...1350 °С, после чего в расплав через каждые 15 минут вводили порционно полимер тетрафторэтилена. Одна порция составляла 0,1% от массы расплава. После введения одной порции С2Р< и последующего выстаивания расплава (15 минут) отливали пробы размером 170x120x15 мм в медный кокиль, затем в расплав вводили следующую порцию С2Р4, расплав снова выстаивали и т. д. Из проб изготавливали образцы для исследования микроструктуры и испытаний механических свойств.

Установлено, что обработка чугунного расплава С2Р4 позволяет полностью удалить графит и получить у доменного чугуна ледебуритную структуру (рис. 1), которая обеспечивает высокую твердость отливок - 48-52 НРС. Следует

Таблица 1

Химический состав передельных чугунов, используемых в качестве шихты для получения чугуна без выделений графита

№ состава Предприятие-производитель Содержание элементов, %

С Мп Р Э

1 ОАО «НКМК» 3,57 0,32 0,94 0,10 0,02

2 ОАО «ЗСМК» 4,15 0,30 0,90 0,10 0,02

а б в г

Рис. 1 Микроструктура передельного доменного чугуна без обработки расплава (а) и после обработки расплава (б-г)

ОБР ДЕГОТКА МЕТАЛЛОВ

отметить, что содержание углерода после такой обработки возросло в среднем на 0,5 %, при этом механические свойства полученного чугуна оказались более высокими, чем у многих легированных. В табл. 2 приведены резуль-

ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

таты сравнения с близким по сущности способом модифицирования чугуна коллоидно-графитовым препаратом [4]. Как видно из этих результатов, эффективность применения углефтористого соединения оказывается выше.

Таблица 2

Влияние обработки расплава на количество графита и механические свойства передельного чугуна

Способ модифицирования Объемная доля графита, % ав, МПа Предельная степень пластической деформации до разрушения, %

Известный:

смесью, содержащей коллоидно-графитовый

препарат 25% и порошок меди (размер частиц 12,3 180 17

2...10 мкм) остальное, в количестве 0,5% от веса

шихты.

Предлагаемый:

политетрафторэтиленом (С2Р4) в количестве от

массы расплава, %:

0,10 4,6 340 40

0,25 2,2 362 44

0,30 0 403 50

Модифицирующий эффект можно обеспечить введением в расплав смеси окислов [5]. Для повышения свойств доменного чугуна был разработан способ модифицирования [6], в котором используется обработка расплава шлаком производства синтетического силумина в количестве 0,5...1,2% от массы расплава. Расплавление V обработка шихтового чугуна состава 2 (табл. 1) шлаком также проводились в индукционной печи. Температуру расплава доводили до 1280...1350 °С и модифицирование шлаком в количествах 0,5, 1,0 и 1,2% от массы расплава осуществляли путем его замешивания в расплав в течение 5-10 минут. После отстаивания расплава и снятия шлака про-

водили заливку проб вышеприведенного размера в медный кокиль.

Показано, что использование .илака для обработки расплава позволяет достичь у доменного чугуна за счет удаления графита и образования ледебуритной структуры твердость 445...450 НВ и временное сопротивление разрыву ав = 393...420 МПа. Результаты эффективности модифицирования шлаком по сравнению с прототипом [5] приведены в табл. 3. С помощью такой обработки расплава у чугуна без применения легирующих элементов и теэ-мической обработки достигается повышение твердости в 2-2,5 раза (табл. 4).

Таблица 3

Влияние обработки расплава на механические свойства передельного чугуна

Способ модифицирования Количество модификатора, % от массы расплава Механические свойства

св, МПа НВ

Известный: смесью, содержащей окалину железа 45... 50 %, карбид кальция 10 ... 15 %, плавиковый шпат 5...10%, карбид кремния или его шлам остальное. 1 240...260 205 ...214

Предлагаемый: шлаком производстза синтетического силумина* 0,5 1,0 1.2 393 387 420 445 420 450

* Химический состав шлака в % (вес.): 2,5 МдО; 8.1 АЬОз; 1»7 ТЮг; 42.78Юг; 14 в!; А1 - остальное

Механические свойства чугуна, получаемого с применением разработанных способов обработки расплава, оказываются более высокими, чем у многих легированных чугунов (табл. 5), при этом коррозионная стойкость в агрессивных средах и жаропрочность этого нелегированного белого чугуна тоже могут быть достаточно высокими [1, 7].

Щ № 3 (28) 2005

Такой чу*ун может успешно конкурировать с хромистыми, кремнистыми, марганцовистыми никельхромистыми, хро-мованадиевыми и другими комплексно легированными чу-гунами, применяемыми в современной промышленности.

Таким образом, разработаны новые способы обработки чугунного расплава полимером тетрафторэтилена и

ДОМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Таблица 4

Влияние обработки расплава шлаком производства синтетического силумина на твердость передельного чугуна (заливка в медный кокиль)

Содержание реагента, % от массы расплава Твердость, HB

0,5 330-340

1.0 350-360

1,5 400-420

2,0 440-450

2,5 440

3,0 480

3,5 525-535

4,0 540-550

4,5 560

шлаком производства синтетического силумина, которые позволяют предотвратить появление графита при кристаллизации и данной обработке, т.е. получить нелегирсван-ный чугун с ледебуритной структурой. После обработки расплава С2Р4 и шлаком производства синтетического

силумина нелегированный белый чугун имеет твердость 450...560 НВ временное сопротивление разрыву до 403...420 МПа, предельную степень пластической деформации до разрушения 50 %.

Таблица 5

Химический состав и механические свойства легированных белых чугунов в сравнении с нелегированным белым [7]

Марка чугуна Содержание элементов, мае. % ав, МПа HB

С Si Мп Cr Ni Р S

ЧГ7Х4 3,0-3,8 1,4-2,0 6,0-8,0 3,0-5,0 <0,10 £0,05 150 390-450

ЧХ22С 0,6-1,0 3,0-4,0 1,0 19,0-25,0 - <0,30 <0,10 290 215-340

ЧХ16 1,6-2,4 1,5-2,2 1,0 13,0-19,0 - <0,10 <0,05 350 400-450

ЧХ18 0,5-1,6 0,5-1,5 1,0 25,0-30,0 - <0,10 £0,08 370 215-270

ЧХ28 0.5-1,6 0,5-1,5 1,0 25,0-30,0 - <0,10 £0.08 370 215 270

ЧХ32 1,6-3,2 1,5-2,5 1,0 30,0-34,0 - <0,10 <0,08 390 245-340

ЧН11Г7Ш 2,3-3,0 1,8-2,5 5-8 1,5-2,5 10-12 <0,08 <0,03 390 120-250

4Н19ХЗШ 2,3-3,0 1,8-2,6 1,0-1,6 1,5-3,0 18-20 <0,10 <0,03 340 120-250

4Н4Х2 (нихард-2) 2,8-3,6 0,0-1,0 0,8-1,13 0,8-2,5 3,5-5,0 <0,30 <0,15 200 400-600

Нелегированный белый 3,94-4,57 0,90-0,94 0,30-0,32 - - 0,-0 0,02 до 400-^20 до 560

Литература

1. Афанасьев В.К., Айзатулов P.C., Кустов Б.А., Чиб-ряков М.В. Прогрессивные способы повышения свойств доменного чугуна. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - 258 с.

2. Чибряков М.В., Койнов В.А., Кольба A.B. Особенности обработки расплава чугуна твердыми веществами i Литейное производство. - 2000. - №3. - С. 11-12.

3. Патент РФ 2151198 по заявке №99123819/02 от

10.11.1999. Способ модифицирования серого чугуна / Афанасьев В.К., Койнов В.А., Ксльба A.B. и др. - Опубл.

20.06.2000. Бюл. №17.

4. А. с. № 1723173, кл. С22С 35/00. Брикетированная смесь для обработки серого чугуна / Калинин В.Т., Карги-

нов В.П., Смирнов Л.П. и др. (ДМетИ, Днепропетровск). -Опубл. 1992 г., Бюл. №12.

5. А. с. № 709961, кл. С21С 1/00. Модификатор для чугуна с пластинчатым графитом / Кутузов В.П., Шумихин B.C., Соколюк Ю.Т. и Костяков В.Н. (ДМетИ, Днепропетровск). Опубл. 1980 г., Бюл. № 2.

6. Патент РФ 2162109 по заявке №99124959/02 от 22.11.1999. Способ модифицирования чугуна / Афанасьев В.К., Койнов В.А., Кольба A.B. и др. - Опубл. 20.01.2001. Бюл. №2.

7. Афанасьев В.К., Кустов Б.А., Гладышев С.А., Полторацкий Л.М., Сочнев A.B., Громов Г.Е. Чугун и его свойства: Учеб. пособие. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. - 344с.

№ 3 (28)2005