Исследование и разработка способа управления первичной структурой хромистых чугунов с помощью модифицирования с целью повышения качества отливок

Повышение требований к качеству и эксплуатационным характеристикам материалов, необходимость увеличения сроков службы современного оборудования требуют постоянного совершенствования составов и технологии производства конструкционных материалов. Одним из резервов повышения долговечности оборудования и комплексного повышения качества и надежности машин и механизмов является разработка новых методов повышения уровня механических и эксплуатационных свойств отливок. Проблема повышения служебных качеств чугунных отливок актуальна для многих отраслей промышленности — машиностроительной, металлургической, горнодобывающей, химической и др.

Одним из наиболее перспективных материалов, которые эффективно применяются в этих отраслях, являются белые хромистые чугуны. Легирование хромом придает чугунам высокую абразивную стойкость благодаря присутствию в структуре карбидной составляющей, а также коррозионную стойкость за счет легирования металлической основы, жаростойкость вследствие повышения электрохимического потенциала металлической основы и создания на поверхности отливок прочной нейтральной оксидной пленки, жаропрочность и т. п. Традиционно такие чугуны относили к хрупким материалам, что существенно ограничивало области его использования. Однако достигнутые в последние годы успехи в области легирования, модифицирования и термической обработки значительно меняют наши представления об их свойствах и возможных сферах применения. Все более широко хромистый чугун применяют как материал для деталей машин и механизмов, подвергающихся интенсивному изнашиванию, окислению и коррозии.

Специфические свойства современных белых чугунов в литом состоянии в большинстве случаев определяются наличием карбидной фазы. Наиболее высокие свойства обеспечиваются наличием специальных карбидов.

Ме7Сз и Ме2зСб, которые образуются при высоких содержаниях хрома и/или при существенных добавках дополнительных легирующих элементов (марганца, ванадия, молибдена и др.). Однако выпуск деталей из этих материалов ограничен из-за дороговизны и дефицитности легирующих элементов (Сг, N1, V, Мо и др.), входящих в состав лучших отечественных и зарубежных марок хромистых чугунов. В связи с этим поиск более дешевых методов получения сплавов, которые могут обеспечить необходимое сочетание высокой износостойкости и твердости, жаростойкости наряду с удовлетворительной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью, является весьма актуальным.

Актуальность работы. Диссертация посвящена исследованию способов управления первичной структурой хромистых чугунов с помощью модифицирования. Направление исследований связано с остро стоящей проблемой повышения долговечности оборудования. В этой связи важной является проблема совершенствование структуры отливок. Для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих в условиях износа, большое значение имеет создание и внедрение новых технологий модифицирования белых чугунов, превосходящих по получаемым свойствам получаемые ранее чугуны сходного химического состава.

Цель работы. Исследование возможности изменения первичной структуры хромистых: чугунов для повышения свойств отливок без изменения химического состава сплавов и, как следствие, экономии дефицитного и дорогостоящего легирующего хрома. Развитие теоретических представлений о влиянии модифицирующих элементов (кремния, магния, редкоземельных металлов) на параметры кристаллизации, особенности формирования первичной структуры, микротвердость структурных составляющих, твердость и прочность хромистых чугунов. Определение оптимального количества модификатора, обеспечивающее стабильный модифицирующий эффект, для высокохромистых (18−19%' масс.) и низкохромистых (3−5% масс.) чугу-нов.

Научная новизна работы.

1. Показано, что модифицированный низкохромистый чугун, полученный с использованием разработанного способа внепечной обработки, содержит эвтектические карбиды Ме7Сз, которые по твердости и прочности значительно превосходят карбиды цементитного типа (МезС) и имеют более благоприятную морфологию.

2. На основании термодинамических расчетов показана возможность образования карбидов СГ7С3 при содержании хрома 3,5%, что реализуется только в присутствии указанного комплексного модификатора, содержащего кремний и магний.

3. Установлено, что обработка данным модификатором высокохромистых чугунов обеспечивает заметное измельчение эвтектики и увеличение количества первичных карбидов, которые по мере повышения содержания вводимого модификатора становятся более компактными.

4. Определено оптимальное количество модификатора, обеспечивающее наилучшее сочетание литейных и механических свойств в низкохромистом и заэвтектическом высокохромистом чугунах.

Практическая значимость.

1. На основании результатов аналитических и экспериментальных исследований разработан способ управления первичной структурой, обеспечивающий получение хромистокарбидной эвтектики в чугунах с содержанием хрома 3−5%, что позволило увеличить прочность примерно на 70%.

2. Разработан способ внепечной обработки расплава низкохромистого чугуна, позволяющий получать хромистокарбидную эвтектику и пол.

1 Здесь и далее содержание компонентов в сплавах, модификаторах и т. п. приводится в массовых долях, %. Слова «массовая доля» опущены. ностью исключающий образование ледебурита без изменения содержания углерода и хрома.

3. Разработан способ получения чугунов с низким содержанием хрома и свойствами, присущими чугунам с более высоким содержанием хрома, что позволяет существенно повысить экономические показатели. Экономия только на шихте при существующих ценах на феррохром и модификатор составляет около 24 000 рублей на тонну.

4. Определено оптимальное количество модификатора, обеспечивающее наилучшее сочетание литейных и механических свойств в низкохромистом и заэвтектическом высокохромистом чугунах.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния комплексного модификатора на структуру, литейные и механические свойства низкохромистых (3−5% Сг) чугунов.

2. Результаты исследования влияния комплексного модификатора на структуру, литейные и механические свойства высокохромистых (18−19%) чугунов.

3. Термодинамические расчеты возможности образования карбидов Сг7Сз в присутствии комплексного модификатора.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

— на V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, НИТУ «МИСиС», 2009 г.;

— на XII Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нанодо макроуровня», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет и НПФ «Плазмацентр», 2010 г.- - на научных семинарах кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС» (2009;2010 г. г.).

Результаты диссертационной работы отражены в 3 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций.

Работа выполнялась в лабораториях кафедры ТЛП НИТУ «МИСиС», при участии лабораторий кафедр ВПМиА, МиФП НИТУ «МИСиС».

Автор выражает признательность научному консультанту, доценту, к.т.н. Рожковой Е. В., проф., д.т.н. Пикунову М. В., проф., д.т.н. Тену Э. Б., зав. кафедрой ТЛП, проф., д.т.н. Белову В. Д., сотрудникам кафедры ТЛП НИТУ «МИСиС», сотруднику кафедры ВПМиА НИТУ «МИСиС» Степаревой H.H., оказавших содействие при выполнении данной диссертационной работы.

Основные результаты и выводы.

1. Установлен характер влияния комплексного модификатора, содержащего кремний, магний и редкоземельные металлы, на структуру и свойства хромистых чугунов различного состава.

2. Определена целесообразность использования комплексного модификатора при производстве отливок из хромистых чугунов с 3−5% Сг и с 18−19%Сг.

3. Установлена возможность образования карбидов Сг7С3 в чугунах с 3−5% хрома после модифицирования комплексным модификатором, что подтверждено термодинамическими расчетами, рентге-ноструктурным фазовым анализом и металлографическими исследованиями.

4. Выявлено влияние комплексного модификатора на прочностные и литейные свойства хромистых чугунов, обработанных комплексным модификатором.

5. Определен оптимальный режим термообработки для низкохромистого чугуна с карбидами Сг7С3.

6. Определены оптимальные количества комплексного модификатора для обеспечения оптимальной структуры и свойств хромистых чугунов с 3−5% Сг и с 18−19% хрома.

7. Экономический эффект при использовании разработанной технологии модифицирования низкохромистого чугуна при существующих ценах на феррохром и модификатор составляет около 24 000 рублей на тонну отливок, для высокохромистого — порядка 10 000 рублей на тонну отливок.

1. Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. — 272 с.

2. Гольдшмит Х.Дж. Сплавы внедрения. М.: Мир, 1971. т.1. — 424 с.

3. Задиранов А. Н., Кац A.M. Теоретические основы кристализации металлов и сплавов. М.:МГИУ, 2008. — 198 с.

4. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов. JL: Машиностроение, 1976. -214 с.

5. Литье с применением инокуляторов. Киев: ИПЛ АН УССР. 1981. -220 с.

6. Долмэн К. Ф., Уолкер К .Я., Харрис Ч. Ф., Томсон А. У. (УОРМЭН ИНТЕРНЕШНЛ ЛИМИТЕД (AU)) Способ литья металлического сплава, содержащего первичную фазу, диспергированную в эвтектической фазе. — Патент Российской Федерации № 2 156 176. 1994. — 23 с.

7. Колокольцев В. М., Миронов O.A., Петроченко Е. В., Брялин М. Ф., Воронков Б. В., Повышение свойств жароизносостойкого чугуна рафинированием и модифицированием. Литейное производство. — 2007, № 3. — с. 27−29.

8. Федоров Г. Е., Платонов Е. А., Кузьменко А. Е., Ямшинский М. М., Моги-латенко В.Г., Цоновский С. И., Партала Л. П. Пути повышения служебных характеристик хромомарганцевых чугунов. Брянская государственная инженерно-технологическая академия. Новые материалы и техноло.

9. ГОСТ 14 019–80. Методы технологических испытаний на изгиб. — М.: Издательство стандартов, 1989.

10. ГОСТ 9450–76. Методы испытания на микротвердость вдавливанием алмазной пирамиды. -М.: Издательство стандартов, 1989.

11. A.B. Курдюмов, А. М. Михайлов, Б. В. Бауман. Лабораторные работы по технологии литейного производства. М. Машиностроение, 1990. — 271 с.

12. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. М.: Металлургия. 1989.-503 с.

13. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия. 1979. — 256 с.

14. Куликов И. С. Раскисление металлов. М.: Металлургия. 1975. — 504 с.

15. Свидунович Н. А., Глыбин В. П., Свирко Л. К. Взаимодействие компонентов в сплавах. М.: Металлургия. 1989. — 158 с.

16. Садовский В. М., Комаров О. С., Герцик С. Н. и др. Влияние содержания углерода и хрома на свойства высокохромистого чугуна // Литейное производство. — 1998. — № 5. — с. 12−13.

17. Герек А., Байка Л. Легированный чугун — конструкционный материал. — М.: Металлургия, 1978. — 208 с.

18. Гудремон Э. Специальные стали: перевод с нем. — М., Металлургия, 1966. Т.1.-344 с.

19. Воинов Б. А. Износостойкие сплавы и покрытия. — М.: Машиностроение, 1988. -118 с.

21. Жуков A.A., Сильман Г. И., Фрольцов М. С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. М.: Машиностроение, 1984, 102 с.

22. Ри Хосен, Ри Э. Х., Дзюба Г. С., Бриченок A.C. Эксплуатационные характеристики комплексно-легированного хромистого чугуна. Литейное производство сегодня и завтра: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Физико-химия литейных процессов и сплавов и процессов» и 100-летию со дня рождения основателя кафедры проф., д-ра техн. наук Нехендзи Ю. А. -СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. — с. 65−68.

23. Белов В. Д., Вдовин К. Н., Колокольцев В. М., Ковалевич Е. В., Тен Э. Б. Производство чугунных отливок. Под ред. В. М. Колокольцева, Ри Хосена. — Магнитогорск: Изд. ГОУ ВПО МГТУ, 2009. — 521 с.

24. Бунин К. П., Таран Ю. Н. Строение чугуна. — М.: Металлургия, 1972. -160 с.

25. Ри Хосен, Ри Э. Х. Комплексно-легированные чугуны специального назначения. — Владивосток: Дальнаука, 2000. — 286 с.

26. Maratray F. Alloyed abrasion and wear resisting white irons in Foundry technology for the '80s. Birmingham: Univetsity of Warwick, 1979. P. 7.17.13.

27. Бобро Ю. Г. Легированные чугуны. M.: Машгиз, 1960, 201 с.

28. Богачев И. Н. Металлография чугуна. М.: Машгиз, 1962, 392 с.

30. Norman Т., Solomone A., Doane P. Martensits white cast irons for abrasion resistance casting//Modern Casting. 1959. Vol. 35. № 4. P. 104−118.

31. Ри Э. Х., Ри Хосен, Дзюба Г. С., Бриченок A.C. Физические свойства расплавов и структурообразование комплексно-легированных хромистых чугунов. Литейное производство сегодня и завтра: Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Физико-химия литейных процессов и сплавов и процессов» и 100-летию со дня рождения основателя кафедры, проф., д-ра техн. наук Нехендзи Ю. А. — СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001.-с. 60−65.

32. Кинцел А. Б., Франке Р. Высокохромистые нержавеющие и жароупорные стали. Пер. под ред. H.H. Тимошенко. — М.: Металлургиздат, 1945, 473 с.

33. Гарбер М. Е. Отливки из износостойких белых чугунов. М.: Машиностроение, 1972, 112 с.

34. Таран Ю. Н. О модифицировании эвтектик в чугунах // Структура и свойства чугуна и стали. Днепропетровск, 1967. С. 41−47.

35. ГОСТ 9013–59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. — М.: Издательство стандартов, 1959.

36. Гринберг H.A., Монгайт И. А. Влияние бора на фазовое строение и свойства наплавленного металла при абразивном изнашивании // Металловедение и термическая обработка металлов. 1978. -№ 12. — с. 48−50.

37. Спиридонова И. И. Структура и свойства железо-боро-углеродистых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1984. — № 2. с. 58−61.

38. Кащеев В. Н. Абразивное разрушение твёрдых тел.— М.: Наука, 1970. — 348 с.

39. Попов B.C., Брыков H.H. Исследование влияния карбидной фазы на износостойкость сплавов в абразивной среде// Металловедение и термическая обработка металлов. 1968. — № 1— с. 93−96.

40. Бор, кальций, ниобий и цирконий в чугуне и стали. Под ред. Викарова С. М. — М.: Металлургиздат, 1961. — 460 с.

41. Шурин А. К., Панарин В. Е. Диаграммы состояния железа с фазами внедрения как основа разработки износостойких эвтектических сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 1984. — № 2. — с. 55−57.

42. Спиридонова И. М. Научные основы формирования структуры боросодержащих железных сплавов и внедрение технологии упрочнения поверхности деталей оборудования: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Днепропетровск, 1986.— 20 с.

43. Кириллов А. А, Белов В. Д., Рожкова Е. В., Дядькова А. Ю., Зуев И. Е. Структурнои неструктурно-чувствительные свойства хромистых чу-гунов. // Черные металлы, 2007. — № 9. — с. 7−13.

44. Ри Хосен. Влияние компонентов на свойства жидкой фазы и структуро-образование синтетических чугунов. — Владивосток-Хабаровск: Издательство ХГТУ, 1997. — 196 с.

46. Малиночка Я. Н. Фазовые состояния и внутрикристаллическая ликвация в Fe-C-Si сплавах // Литейное производство. 1957. № 10. с. 19−22.

47. Setsuo Aso, Shoji Goto, Yoshinari Komatsu, Wu Liu, Chungming Liu. The effect of solidification on phase transformation of iron matrix of Fe-25% Cr-C-B alloys. // Int. J. Cast Metals Res., 1999, N11, p. 285−290.

48. Zhi Xiaohui, Xing Jiandong, Fu Hanguang, Gao Yiming. Effect of titanium on the as-cast microstructure of hypereutectic high chromium cast iron. // Mater. Charact. — 2008. — 59, № 9. -p. 1221−1226.

49. Wiengmoon A., Chairuangsri Т., Poolthong N., Pearce J.T.H. Electron microscopy and hardness study of semi-solid processed 27 wt % Cr cast iron. // Material Science and Engineering. — 2008. — 480, № 1−2. -p. 333−341.

50. Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н. Основы металлографии чугуна. — М.: Металлургия, 1969. — 415 с.

51. Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны — эволюция и перспективы. // Литейное производство, 2000. — № 9. — с. 15−16.

52. Ри Хосен. Влияние температурных режимов плавки, модифицирующих и легирующих элементов на свойства чугунов в жидком и твердом состоянии. — Владивосток-Хабаровск: Издательство ХГТУ, 1997.-149 с.

54. РиХосен, РиЭ.Х., Бомко Н. Ф., ТейхВ.А. Элементно-фазовый и структурный анализ хромистых чугунов в литом состоянии // Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: материалы международной научной конференции. Ч. 1. — Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнАГТУ. — 1998. -с. 26−27.

55. Косилов A.A., Круглов A.A., Ребонен В. Н. Термообработка высокохромистого чугуна // Литейное производство, 2001. — № 6. — с.13−14.

56. Бриченок A.C. Разработка технологии получения комплексно-легированных низкоуглеродистых белых чугунов функционального назначения в литом и термообработанном состояниях. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. — Комсомольск-на-Амуре, 2005. — 288 с.

57. Архаров В. И. Окисление металлов. — М.: Металлургиздат, 1945.

162 с.

58. Томашев Н. Д. Теория коррозии металлов. — М.: Металлургиздат, 1952. -314 с.

59. Гольдштейн М. И., Грачев C.B., Векслер Ю. Г. Специальные стали. — М.: Металлургия, 1985. — 408 с.

60. Молочков П. А. Комплексное воздействие на структуру белых износостойких чугунов с целью повышения эксплуатационной стойкости отливок. Диссертация на соискание степе.

61. Жуков М. Ф., Черский И. Н., Черепанов А. Н. и др. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза. — Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. -312 с.

62. Крушенко Г. Г. Нанотехнологии в конструкционных сплавах // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. Труды научно-технической конференции с международным участием. V Ставеровские чтения. — Красноярск: Сибирский федеральный университет, КНЦ СО РАН, 2009. -с. 268−272.

63. Капустин М. А., Шестаков И. А. Оптимизация химического состава износостойкого чугуна для литых мелющих шаров // Hoei матер1али i технологи в металургн та машинобудуванш. — 1999. № 2. -с. 32−33.

64. Троянский A.A., Жук B. JL, Туяхов А. И., Пахомов A.A., Игнатов В. А., Ярмоленков В. И. Совершенствование технологии производства мелющих тел из износостойкого чугуна, отливаемых на конвейерно-литейных машинах // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов международной научно-технической конференции. — Донецк: ДонНТУ, 2002. Т. 3 -с. 79−82.

65. Лисогор А. И., Кириевский Б. А., Лунева Н. И., Тихонович В. И. К вопросу об эрозионно-коррозионной стойкости модифицированных хромистых чугунов. // Коррозия и защита металлов. — Киев: Наукова думка. 1972. — с. 64.

66. Гольдштейн Я. Е., Хисматуллина Н. С. Структура и свойства белых износостойких чугунов. // МиТОМ. — 1986. — № 8.

67. Колокольцев В. М. Основы синтеза износостойких литейных сталей и чугунов. // Литейное производство. 1995. — № 4, 5. — с. 6−7.

68. Печенкина Л. С. Разработка износостойких самозакаливающихся сплавов для тонкостенных точнолитых деталей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Курск, 2000. — 18 с.

69. Цибрий В. В. Исследование изнашивания дробеметных лопастей и выбор литых износостойких сплавов для них. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Харьков,, 1970.-22 с.

70. Рожкова Е. В., Ватковская И. Е., Цыпин И. И. Износостойкие чугуны с повышенной обрабатываемостью. // Литейное производство. 1984. — № 8. -с. 8.

7 Г. Садовский В. М., Комаров О. С. Влияние содержания углерода и хрома на свойства высокохромистого чугуна. // Литейное производство. 1998. — № 5. — с. 12−13.

72. Колокольцев В. М. Износостойкость двойных сплавов на основе железа. // Литейное производство. 1996. — № 4. — с. 5.

73. Лучкин B.C., Снаговский В. М., Таран Ю. Н. Факторы износостойкости белых хромистых чугунов. // Литейное производство. 1976. — № 11.-е. 9.

74. Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Г. Инокулирование железоуглеродистых расплавов. — М.: Металлургия, 1993. — 416 с.

75. Петроченко Е. В. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из белых легированных чугунов за счет комплексного воздействия на их структуру. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. — Магнитогорск, 2003. 140 с.

76. Чугун. Справочник / Под ред. Шермана А. Д., Жукова A.A. — М.: Металлургия, 1991. — 576 с.

77. ЕмелюшинА.Н. Влияние титана и бора на износостойкость чугуна предназначенного для механической обработки неметаллических материалов инструмента из хромистых чугунов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2000.-№ 2.-с. 28−29.

78. Беркун М. Н., Топал В. И., Гудеревич H.A. Влияние титана на свойства высокохромистого чугуна // Технология и организация производства, 1970. — № 6. — с. 61−62.

79. Косицына И. И., Сагарадзе В. В., Макаров A.B. и др. Влияние структуры на свойства белых хромистых чугунов. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1996. — № 4. — с. 7−10.

80. Колокольцев В. М., Назаров O.A., Коротченко В. В. и др. Износостойкие чугуны для отливок деталей дробеметных камер. // Литейное производство, 1992. — № 7. — с. 11−12.

82. Рожкова Е. В., Козлов Л. Я., Румянцев В. В., Кириллов A.A. Оптимизация химического состава износостойких хромистых чугунов. // Черные металлы, Цветные металлы, 2005. — Специальный выпуск. — с. 20−25.