«Способы модифицирования чугуна»
авторов: к.т.н. Шкарупы И.Л., Викулина А.В.,
д.т.н. Русановой Л.Н., Алексеева М.К., к.х.н. Гуриной Т.В.
На ФГУП «ОНПП «Технология», одном из ведущих научных центров авиационно-космического комплекса, разработаны составы и способы модифицирования серого и отбеленного чугуна таблетированными тонкодисперсными керамическими смесями.
Разработанные модификаторы незаменимы в процессах изготовления:
мелющих тел, тормозных колодок, валков прокатных станов и т. п.
Предлагаемые различные составы тонкодисперсных керамических модификаторов необходимы для повышения:
-
ударостойкости отливок (вчетверо);
-
поверхностной твёрдости (на 5-7 ед.)
-
прочностных характеристик (на 25-30%)
-
износостойкости (вдвое)
-
полноты и эффективности усвоения модифицирующей смеси
-
экономичность процесса, выражается в:
-
снижении энергозатрат на модифицирование чугуна;
-
резком снижении расхода смеси (с обычных 1-2% до 0,008-0,012% от массы выплавляемого чугуна);
-
отказе от дорогостоящей магниевой лигатуры.
-
экологичности процессов модифицирования.
Целью способа модифицирования является повышение износостойкости отливок из серого и отбелённого чугуна.
Она достигается тем, что модифицирования чугуна, включающем обработку расплава плакированной парафином экзотермической смесью оксида железа, порошка алюминия и углеродосодержащего материала, в расплав дополнительно вводят порошок молибдена с размером частиц 10-100 мкм в количестве 0,3-0,4 % от массы расплава.
Поскольку молибден является тугоплавким металлом, для его активного растворения требуется высокая температура расплава. Создаются реальные предпосылки для активирования окислительно-восстановительной реакции между оксидом железа, алюминием и углеродосодержащим материалом. Обе реакции протекают со значительным выделением тепла, т.е. суммарный алюминокарботермический процесс создаёт локальный перегрев расплава (до 28000С) в зоне частиц экзотермической смеси. В этой зоне происходит активное растворение в металле частиц молибдена. В результате возрастает эффективность его усвоения, что позволяет расходовать небольшое количество добавки (порядка 0,3 % от массы расплава).
Однородность отливок, эффективность процесса модифицирования, количество центров кристаллизации чугуна увеличивается также за счёт перемешивания газами, образующими в результате алюминокарботермии и разложения плакирующего агента.
Применение высокодисперсной экзотермической смеси и молибдена даёт возможность проводить обработку расплава при сравнительно низких температурах плавильной печи.
Результаты экспериментов по износостойкости приведены в таблице 1.
Таблица 1
Номер пробы
|
Модификатор
|
Состав модификатора, % от массы
|
Износостойкость, г/мин.
|
|
|
Экзотермич. смесь
|
Молибден
|
|
1
|
Известный
|
0,008
|
-
|
0,1308
|
2
|
-
|
0,008
|
0,3
|
0,1245
|
3
|
Предлагаемый
|
0,008
|
0,4
|
0,0917
|
4
|
Предлагаемый
|
0,008
|
0,5
|
0,0891
|
5
|
Предлагаемый
|
0,008
|
0,6
|
0,0891
|
Рентгеноструктурный и фазовый анализы показал, что в модифицированном чугуне кроме α-железа и карбида Fe3C и FeC обнаружены дисперсные кристаллики ε -карбида типа ε - Fe3C, наличие которого приводит к дисперсному упрочнению железоуглеродистых сплавов. ε –карбид когерентно связан с решёткой металла, о чём свидетельствует резкое увеличение в этой зоне основного пика интенсивности α-железа.
Структура полученного чугуна оказалась сходной с мартенситной структурой стали, легированной большим количеством молибденсодержащих соединений, отпущенной при высоких температурах (500-600 0С).
Возникновение частиц специального карбида и появление мартенситной структуры привело к росту стойкости чугуна к износу в 1,5 раза.
2.
Для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, необходимо улучшить механические свойства чугунных отливок, особенно поверхностную твёрдость изделий, в частности, путём увеличения количества активных центров кристаллизации в расплаве и повышения усвоения модификатора.
Целью модифицирования является повышение поверхностной твёрдости отливок, экономичности процесса и улучшения экологии окружающей среды.
Она достигается тем, что модифицирование серого чугуна, включающего обработку углеродсодержащим компонентом в качестве этого компонента используют отходы производства графитовых изделий, предварительно подвергнутые вибропомолу и плакированные углеводородами метанового ряда, в частности, парафином.
Интенсификация развития поверхности углеродистых отходов путём вибропомола повышает эффективность усвоения модификатора, количество активных центров кристаллизации и снижает объёмную долю графита в сплаве.
Плакирование модификатора парафином исключает его насыщение влагой и кислородом воздуха, вследствие чего отпадает необходимость в дополнительном расходе электроэнергии на прокаливание добавки, особенно при обработке больших масс чугуна. Графит, покрытый защитным слоем, может длительное время сохранять свою активность.
Продукты разложения парафинового слоя увеличивают количество центров кристаллизации в расплаве, улучшают тепломассообмен между модификатором и расплавом за счёт барботажа образующихся газов. Вследствие этого модифицирующие частицы более равномерно распределяются по объёму жидкого металла, увеличивая однородность отливки и повышая прочностные свойства.
Кроме того, плакирование парафином создаёт возможность дозирования и формования состава, предотвращает его рассыпание по зеркалу расплава, повышает степень усвоения и экологичность процесса модифицирования.
Использование отходов улучшает экологию окружающей среды.
Исследования показали, что объёмная доля свободного графита в отливках, полученных этим способом, резко снижается, вплоть до точечных очагов. Изменяется морфология графита от пластинчатого до вермикулярного, измельчаются графитные включения. Структура отливок становится более дисперсной и однородной, в том числе и от края шара к его центру.
Использование предложенного способа повышает микротвёрдость края образцов. Поверхностная твёрдость возрастает на 5 – 7 единиц HRC.
Повышение твёрдости и однородности отливок позволяет использовать предложенный способ в процессе литья помольных шаров и деталей, испытывающих ударные нагрузки.