CC BY
52
Упрочнение стали тугоплавкой дисперсной фазой
Чуманов В. И., Пятыгин Д.А., Чуманов И.В.
кДж/гр
6,2
6,0
5,8
5,6
5,4
5,2
5,0
5,535
состоянии (HRC=55).
Результаты измерения износостойкости полученного материала в сравнении с другими сталями представлены на рис. 4.
Результаты измерения износостойкости в отожженном состоянии сввдетельствуют о том, что введение твердофазных частиц приводит к увеличению износостойкости на 14% по сравнению с неупрочненной сталью.
Добавки титана в ковш для увеличения смачиваемости не приводят к повышению износостойкости, так как, очевидно, данной концентрации титана недостаточно для образования достаточного количества карбвдов. Исследование влияния термообработки и увеличения твердости на износостойкость показало, что удельная работа износа материала в термообработанном состоянии увеличивается незначительно, несмотря на достаточно большое увеличение твёрдости (в отожженном состоянии HRC=10, в закаленном HRC=55). Сравнение композиционного материала с другими дорогостоящими высокоизносостойкими сталями (ЭИ 107, 110Х18М-ШД) показало, что полученный композиционный материал по износостойкости им не уступает.
Заключение
Экспериментально, в условиях промышленного производства, осуществлена опытная разливка с введением упрочняющей экзогенной
кДж/гр
6,160
5,462
5,531
£ + 7
7
5,618
7,012
7,891
7,004
Рис. 4. Удельная работа износа
карбвдной фазы и получены цельнолитые заготовки.
При реализации способа упрочнения стали и сплавов дисперсными тугоплавкими фазами распределение дисперсных тугоплавких фаз по сечению слитка остается стабильным во всех исследованных случаях: отмечено некоторое увеличение концентрации дисперсной фазы от края слитка к центру.
Показано, что ввод в жвдкий металл дисперсных твердых тугоплавких фаз при вытягива-нии слитков вверх позволяет зафиксировать их в металлической матрице и обеспечить увеличение прочностных характеристик металла, существенное увеличение износостойкости металлических материалов и мало влияет на изменение их пластических характеристик по сравнению с базовым материалом.
Библиографический список
1. Гольдштейн М.И., ФарберВ.М. Дисперсное упрочнен иестали. ММеталлургия, 1979. 208 с.
2. Туманов А.Т. Волокнистыеи дисперсно-упрочненныекомпозиционныематериалы. М.: Наука, 1976. 156 с.
3. Соловьев В.П., Молчанов М .Д., Новоженова В.А. Введение дисперсных частиц в литейные сплавы // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. № 5. С. 136-139.
4. Лисиенко В.Г., Лобанов В.И., Китаев Б.И. Теплофизика металлургических процессов. М.: Металлургия, 1982. 240 с.
УДК 621.74.94:669.131.7.061.062 Чайкин В.А., Болдырев Д.А., Чайкина Н.В.
ОСОБЕННОСТИ ГРАФИТИЗНРУЮЩЕГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА СМЕСЕВЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ В УСЛОВИЯХ ОАО «АВТОВАЗ»
В ОАО «АВТОВАЗ» производится отливка 2101-3105015 «Ступица переднего колеса» из высокопрочного чугуна с шароввдным графитом марки ВЧ50. Отливку получают обработкой в
ковше емкостью 1200 кг сфероидизирующим модификатором NiMg15Ce0,5 в количестве 4,8 кг (0,4% от металлоемкости ковша). В структуре от -ливки допускается до 5% цементита. В силу своей
конструктивной особенности вышеуказанная от -ливка имеет высокую склонность к отбелу. Для исключения этого ввда брака используется повышенное количество графигизирующего модификатора. В ковш наряду с никель-магниевой лигатурой дополнительно укладывается графигизирую-щий модификатор ФС75лб фракции 3,2... 10 мм в количестве 11 кг (0,9%). Кроме того, производится позднее модифицирование чугуна. Для этого в литниковую чашу формы укладывается кусок ферросилиция массой 150.200 гр (0,23-0,3% от металлоемкости формы.
С целью снижения себестоимости модифицирования в данной работе проведено исследование эффективности смесевых модификаторов МК21 в ковше и МКМг19 в форме, производимых Смоленским региональным отделением российской ассоциации литейщиков (СРО РАЛ), по ТУ 0826-003-47647304-2001.
До недавнего времени производство смесевых модификаторов, в основном, было основано на использовании вторичных продуктов (иногда отходов) ферросплавных предприятий. В новой генерации смесевых модификаторов применяются более перспективные материалы. Речь вдет о модификаторах на основе дисперсных порошков, свойства которых до конца еще не раскрыты и изучаются сейчас с возрастающей активностью.
Модификаторы серии МК - пакетированные смеси, состоящие, в основном, из порошков активированного высокотемпературной обработкой углерода и полученного физико-химическим путем металлического кремния. Кроме того, модификаторы в микродозах содержат в своем составе кальций, медь, алюминий и титан В МКМг19 дополнительно вводятся сублимирующие при тем -пературах заливки химические соединения магния. Пары магния резко увеличивают турбулентность потока, способствуют улучшению теплооб-мена между частицами модификатора и расплавом
Качественные показатели чугуна
и, следовательно, обеспечивают растворимость частиц модификатора во время заполнения формы. Высокая степень дисперсности и специальные свойства, приобретаемые веществом при переходе в ультратонкое состояние, обусловливают резкое увеличение модифицирующей способности и "живучести" смеси.
Для обоснования преимуществ предлагав -мой смеси следует рассмотреть механизм модифицирования чугуна. При введении ферросилиция в струю металла турбулентность потока при заполнении ковша равномерно распределяет присадку по объему металла. Вокруг растворяющихся частиц ферросилиция возникает значительная химическая неоднородность [1], высокое содержание кремния. Кремний по своему гомологическому электронному строению является аналогом углерода: он служит сильным донором валентных электронов по отношению к дефектной 3<1-оболочке железа. Однако у кремния валентные электроны более отдалены от ядра, чем у углерода, и сильнее экранированы от него остовыми электронами. Поэтому в борьбе металлоидов углерода и кремния за химические связи с металлом железом побеждает кремний Вокруг атомов кремния, растворёиных в жвдком или твёрдом железе по типу растворов замещения , образуется «углеродный вакуум». Это уве-личивает скученность атомов углерода в оставшемся пространстве, что является центрами зарождения эвтектики. Таким образом, в нашем случае кремний смещает точку эвтектического превращения влево и способствует дополните ль -ному выделению графитной фазы [2]. Расчеты показывают, что количество частиц ФС 75 в одном см3 чугуна составят 0,68 шт./см3. Это явно недостаточно, процесс образования графитовой фазы протекает в течение сравнительно короткого времени, равного времени существования пересыщенных по кремнию зон в расплаве жидкого чугуна. Поэтому для данной от -ливки необходимо дополнительное позднее модифицирование.
В работе [3] теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что для достижения в отливке мелкодисперсной эвтектической структуры необ-ходимо иметь в расплаве не менее 106-108 шг./см3 центров кристаллизации Расчеты показывают, что именно такое количество частиц модификатора могут вносить модификаторы типа МК.
М икроструктура
Номер формы Форма, распределение и размеры графитовых включений Металлическая основа НВ 5/750/10 СТВ, МПа 5, %
1 ШГф 3, ШГд90, ШГ2, ШГр2 Ледебурит 321-341 - -
2 ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2 П70, (Фе30), Ц10 255-269 680 3,5
3 ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2 П55, (Фе45), Ц0 223-229 790 8,8
4 ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2 П55, (Фе45), Ц0 217 740 10
5 ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2 П55, (Фе45), Ц0 217 745 9,7
Требования по нормали ПАТ-ВАЗ 52215 Графит шаровидный, ССГ не м енее 80% Металлическая основа - фер-ритно-перлитная, цеменгигдо 5% 170...229
Таким образом, в чугун вводится большое количе-ство дисперсных частиц графита и кремния, создающих вдеальные условия для зарождения графитной фазы, так как частицы модификатора соизмеримы с фрактальными агрегатами графита [4]. Основной признак фрактальности структуры - ее способность сохранять самоподобие в процессе эволюции в различных пространственно-временных масштабах [5]. С точки зрения диссипативных и фрактальных структур жвдкий чугун находится в пространственно однородном состоянии с довольно высокой степенью симметрии. Как только начинается процесс переохлаждения, происходит обильный обмен энергией и веществом с окружающей средой, появляется избыток свободной энергии, симметрия системы нарушается и возникает диссипативная структура с более низкой степенью симметрии. Диссипативная структура, дос -тигая в процессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает самоорганизацию новой, более устойчивой на данном иерархическом уровне структуры. Система стремится к приобретению нового симметричного состояния и вдет по пути создания фрактальной структуры. Этот момент важен, поскольку возможность получения заданной структуры наиболее высока. При формировании иерархической структуры должны иметь место управляющие параметры, которые в общем случае могут быть различными для различных иерархических уровней. Для по-ликристаллического материала, в котором присутствуют различные химические элементы, могут развиваться два сценария формирования структуры: при сравнимом количестве химических элементов различных групп управляющим параметром будут служить диффузионные затруднения; когда же содержание одних химических элементов будет подавляюще большим, управляющим параметром будет служить фрактальная размерность, которая и будет определять захват пространства [6].
В нашем случае, в расплав вносится множество дисперсных частиц углерода и кремния, а при модифицировании в форме и магния, что будет спо-
собствовать формированию мелкозернистой структуры серого чугуна без наличия свободного цементита. Таким образом, искусственно создается благоприятная структурная наследственность в кристаллизующемся сплаве.
Это не противоречит и термодинамике процесса. Баланс объемной и поверхностной составляющих при гетерогенном зарождении твердой фазы показывает, что общее изменение энергии ДОп для образования частички критического размера на подложке меньше гомогенного Д О на величину Да), зависящую от равновесного контактного угла а.
ДОп = Д О ■ Да), (1)
где
Да) = [(2 + со8а) ■ (1 - со8а)2] : 4, (2)
тогда
соэа = (оп-р — Ог-п) : ог_р, (3)
где оп-р, ог-п, ог.р - удельные поверхностные энер-гии на границах: «графит-расплав», «графит-подложка » и « подложка-расплав ».
Если в качестве подложки будет использоваться графит, то величину ог.п можно выразить формулой
ог-п ^ 2 0г_р* 8Ш (р/2),
где Р - угол границ, стыкующихся в поликри-сталлическом однородном теле.
Анализ приведенных уравнений показывает, что кристаллизация графита на углеродсодержащих включениях будет осуществляться при минимальных переохлаждениях. При этом свобод -ная энергия образования гетерогенного зароды -ша намного меньше, чем гомогенного, вследст-
МКМг19, %
Рис. 1. Количество цементита в структуре чугуна (%) в зависимости от расхода МКМг19 (%)
х100 х400
а б
Рис. 2. Микроструктура не модифицированного в форме чугуна: а - не травлено: ШГф 3, ШГд90, ШГ2, ШГр2; б - травлено: ледебурит 100%
Рис. 3. Микроструктура чугуна модифицированного в форме 0,1% МКМг19: а - не травлено: ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2; б - травлено: П70, (Фе30), Ц10
вие чего переохлаждение при кристаллизации металлов в первом случае существенно (во много раз) меньше, чем во втором.
Зародыше образующую эффективность НМВ можно оценить потрем основным критериям [7]:
1) по правилу Данкова-Конобеевского: меж-фазное поверхностное натяжение минимально, если кристаллические решетки двух контактирующих фаз идентичны, а по кристаллографическим параметрам отличаются не более чем на 15%;
2) по формуле Бачинского: межфазная поверхностная энергия минимальна, если разность плотностей двух контактирующих фаз минимальна;
3) по однотипности (родственности) связей между атомами каждой из фаз: межфазное поверхностное натяжение минимально, если между фазами есть взаимодействие.
Все эти три правила идеально выполняются, если в качестве подложки будет сам графит. Кремний и магний также способствуют дополни-
тельному зарождению центров кристаллизации.
Следует отметить также, что с уменьшением размера частиц гравитационные силы все слабее контролируют кинетику системы «металл-частица», частицы совершают броуновское движение, и коэффициент их диффузионной подвижности уве-личивается. Следовательно, они обладают высокой седиментационной устойчивостью. Возрастает также их термодинамическая устойчивость против растворения вследствие снижения поверхностного натяжения и повышения активности подложек. Вся открытая поверхность последних покрыта активированными атомами, защищающими частицу от контакта с расплавом и растворения [14]. Все это резко увеличивает живучесть модификатора.
Учитывая вышесказанное, предлагаемые модификаторы помогают эффективно устранять проблему отбела в отливках. Они должны обладать высокой живучестью, а количество их для снятия
х 100
х400
а б
Рис. 4. Микроструктура чугуна модифицированного в форме 0,15% МКМг19: а - не травлено: ШГф5, ШГд15, Шг12, ШГр2; б - травлено: П55, (Фе45), Ц0
отбела может быть существенно уменьшено, по сравнению с традиционным и модификаторами.
При проведении экспериментов определили оптимальное количество модификатора МКМг 19 для внутриформенного модифицирования высокопроч-ного чугуна на отливке 12101-3103015 «Ступица переднего колеса» из высокопрочного чугуна марки ВЧ 50. Чугун состава: С=3,60%, 8і=1,97%, Мп=0,42%, Р =0,019%, 8=0,007%, Сг=0,045%,
№=0,58%, Си=0,28%, 8п=0,015% модифицировали в коше никель-магниевой лигатурой и модифика-тором МК 21 в количестве 3 кг (0,25%) при темпе -ратуре расплава 1490°С. Такое количество МК 21 является оптимальным для ковшевого модифицирования высокопрочного чугуна.
Температура начала разливки металла составила 1460°С при нормативе 1440... 1460° С. Из ковша были залиты 5 форм (40 отливок) сразу после замера температуры. Первая форма заливалась без добавок, в стояк второй формы засыпали 65 г смесевого модификатора МКМг 19, что составило 0,1% от металлоёмкости формы, в стояк третьей и четвертой форм помещали 100 и 130 г МКМг 19 соответственно (0,15 и 0,2% от металлоёмкости формы) и, наконец, в пятую форму помещали кусок ферросилиция ФС 75л6 массой 200 грамм (0, 3%) от металлоемкости формы.
Отливки с каждой из форм анализировались на наличие отбела, изучалась микроструктура отливок. Из тела каждой заготовки вырезались образцы для изготовления проб для проведения механиче-ских испытаний. Результаты испытаний приведе -ны в таблице, наглядно представлены на рис. 1. Микроструктура отливок показана на рис. 2-4.
Как видно из результатов экспериментов, графит изирующее модифицирование чугуна в ковше
модификатором МК 21 не устраняет отбел в отлив -ках из-за их конструктивных особенностей. Вместе с тем, добавка в стояк только 0,1% МКМг 19 обес-печивает соответствие предела прочности и отно-сительного удлинения чугуна требованиям ГОСТ. При этом резко снижается количество цементита в отливках. Однако его содержание, все же, превышает допустимое значение, в результате чего оказывается завышенной и твердость. Оптимальной добавкой модификатора следует считать 0,15% МКМг. В данном случае отбел в отливках устраняется полностью и обеспечивается требуемый комплекс механических свойств.
Обработка расплава в ковше модификатором МК21 в количестве 0,25% в ковше и 0,3% 9 кг/т в литниковой чаше также исключает отбел в отливках.
Таким образом, подтверждаются теоретические предпосылки об эффективности дисперсных смесевых модификаторов и уменьшении их требуемого количества.
Ожидаемый экономический эффект от замены модификаторов составит:
Э = С1- С2 = К1Ц1 - К2Ц2,
где С1, С2 - себестоимость модифицирования по существующей и предлагаемой технологии соответственно; К1, К2 - количество модификатора до и после внедрения, К1= 9 кг/т ФС75л6 в ковш +3 кг/т в литниковую чашу, К2=2,5 кг/т МК21 в ковш + 1,5 кг/т МКМг 19 в стояк; Ц1, Ц2 - цены модификаторов, ФС 75 л 6 - 38 руб ./кг, МК 21 -25,500 руб ./кг, МКМг 19 - 52,500 руб ./кг.
Э = (9 + 3)х 38 - (2,5 х 25,5 + 1,5 х 52,5) =
= 313,5 руб./т жидкого.
Библиографический список
1. Леках C. H., Бестужев Н. И. Внепечная обработка высококачественных чугунов в машиностроении. Мн.: Наука и техника, 1992. 269 с.
2. Чугун: Справочник / Под ред. А.Д. Шермана, A.A. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 576 с.
3. Калинин В. Т. Научные основы прогрессивных технологий модифицирования и легирования чугунов для отливок металлургического оборудования: Автореф. ... д-ратехн. наук. Днепропетровск, 1991. 17 с.
4. Давыдов С. В. Новый подход к классификации методов модифицирования // Металлургия машиностроения. 2006. № 5. С. 5-9.
5. Иванова В. С., Новиков В. У. К итогам симпозиума «Фракталы и прикладная синергетика» // Металлургия машиностроения. 2004. № 1. С. 33-37.
6. Закирничная М. М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воз -действиях: Дис. ... д-ратехн. наук. Уфа, 2001.
7. Стеценко В.Ю., Марукович Е.И. О зароды шеобразовании при затвердевании металлов // Металлургия машиностроения. 2007. № 1. С. 32-37.
8. Гаврилин И.В. Кластеры - фуллерены - фракталы в жидких литейных сплавах // Металлургия машиностроения. 2004. № 5. С. 30-33.
