Методы физического и комплексного воздействия при производстве износостойких чугунов

Для управления структурообразованием износостойких чугунов мо­гут быть использованы не только традиционные металлургические мето­ды — легирование, перегрев расплава и модифицирование, но и физиче­ские методы обработки жидкого и кристаллизующегося расплава — воз­действие вибрацией и ультразвуком, электрическими, магнитными и электромагнитными полями. Во многих случаях последние методы могут оказаться эффективнее и экономичнее традиционных. Представляет интерес совместное влияние физических и металлургиче­ских методов на кристаллизующиеся расплавы, обеспечивающие износо­стойким отливкам мелкозернистую структуру и высокие эксплуатацион­ные свойства.

В работе показано, что при кристаллизации железоуглероди­стых сплавов под воздействием упругих колебаний получается мелкозер­нистая структура. Для повышения эффективности ультразвуковой обра­ботки (УО) необходимо наличие в расплавах кавитационных зародышей оптимальных размеров в виде несплошностей, графитных и других неме­таллических включений, газовых пузырьков и инородных примесей ме­таллического происхождения.

Установлено, что при хорошем акустическом контакте излучателя с обрабатываемым расплавом упругие колебания с амплитудой от 10 до 30 мкм способствуют объемной кристаллизации и дегазации чугуна. Эв­тектические превращения в таком случае проходят при меньшем переох­лаждении. При значениях интенсивности ультразвукового поля 10… 40 кВт/м² относительное количество газов, выделяющееся при затверде­вании чугуна, увеличивается по сравнению с газовыделением чугуна в контрольных изложницах. В таблице приведены данные об остаточном содержании азота, кислорода и водорода в белом чугуне, закристаллизо­вавшемся в контрольных изложницах и в ультразвуковом поле. Термиче­ские кривые охлаждения чугуна наглядно показывают, что эвтектические превращения в ультразвуковом поле (кривая 2) прохо­дят при меньшем переохлаждении, чем в контрольных изложницах (кривая 1).

Относительное количество газов, выделяющееся при затвердевании чугуна, увеличивалось с возрастанием амплитуды упругих колебаний и уменьшением поверхности зеркала расплава. На рисунке показано влия­ние амплитуды упругих колебаний интенсивностью 10 кВт/м² на степень дегазации чугуна с содержанием 2,78 % С и 1,31 % Si.

Степень и скорость дегазации тем больше, чем меньше скорость за­твердевания чугуна и больше продолжительность и интенсивность вво­димых в расплав упругих колебаний. На конечный результат оказывает также влияние температура и химический состав расплава.

Содержание газов в белых чугунах

Термические кривые охлаждения чугуна:

1 — в контрольных изложницах; 2 — в ультразвуковом поле

Плотность белого чугуна по толщине l образца:

1 — контрольного образца; 2 — образцы, полученные заливкой чугуна после ультразвуковой обработки

Изменение количества N ветвей аустенита по сечению образца из белого чугуна:

1 — после ультразвуковой обработки; 2 — контрольный образец

Повышение плотности белого чугуна достигалось при УО в течение 1,8…3,6 гс. Плотность чугуна в верхней части исследуемых слитков по сравнению с нижней на 100…200 кг/м³ выше.

Послойное определение плотности методом гидростатического взвешивания стандартных 16-миллиметровых образцов, зали­тых чугуном, после ультразвуковой обработки выявило также повыше­ние плотности белого чугуна. На рисунке показано изменение количест­ва ветвей аустенита по сечению 16-миллиметровых образцов.

Процесс дегазации чугуна под действием ультразвукового поля и физическую сущность явления можно объяснить следующим образом. Упругие колебания, распространяясь в расплаве, создают в его объеме ультразвуковое поле, которое в соответствии с частотой работы, амплитудой колебаний и мощностью излучателя создает переменное по знаку и величине давление. При этом в расплаве в момент прохождения через него упругих волн создаются кавитационные полости (пузырьки), в кото­рые (по классической схеме вакуумирования) могут диффундировать растворенные в расплаве газы. Кавитационные пузырьки распространя­ются в расплаве по фронту упругих волн со скоростью, обусловленной упругими свойствами расплава.

Ввиду того, что на образование кавитационных пузырьков затрачи­вается работа, амплитуда распространяющейся в расплаве упругой волны уменьшается. При этом энергия колебаний тратится на измельчение кри­сталлов и неметаллических включений, их перемешивание и незначи­тельный разогрев расплава.

Для количественного анализа дегазации чугуна в ультразвуковом поле нужно знать скорость трех основных процессов: создания в кавита­ционных разрывах (пузырьках) микроскопических объемов «газовых за­родышей», коагуляции их в более крупные и всплывания крупных газо­вых пузырьков на поверхность расплава.

Можно предположить, что при малых амплитудах колебаний (1… 5 мкм) скорости создания и коагуляции газовых пузырьков малы и по­следние не успевают всплыть до начала кристаллизации расплава. Этот вывод подтверждается малой степенью дегазации чугуна в ультразвуко­вом поле с малыми амплитудами колебаний.

Представляет интерес влияние упругих колебаний и модифици­рования на структурообразование чугуна доэвтектического состава. В таблице приведены механические свойства модифицированных и леги­рованных чугунов без обработки и с обработкой ультразвуком.

При исследовании микроструктуры образцов модифицированного белого чугуна выявлено, что ультразвуковая обработка перед разливкой расплава в литейные формы приводит к уменьшению линейных размеров дендритных ветвей и измельчению структуры эвтектики. Остаточный графит и спель в чугуне после ультразвуковой обработки не наблюда­лись. В жидком чугуне под действием ультразвукового поля происходит диспергирование остаточного графита и неметаллических включений. Ультразвук также способствует смачиванию неметаллических включений расплавом и повышению плотности чугуна в отливках.

Длительная выдержка чугуна после ультразвуковой обработки (УО) уменьшает эффект измельчения его первичной структуры. Большое зна­чение для снижения поверхностного натяжения при модифицировании, связанном с диспергированием структурных составляющих, имеют объемы атомов растворителя и растворимого элемента. Так как у железа объем атома (8,2-10^-21 мм³) меньше, чем у поверхностноактивных эле­ментов (у алюминия 11,4-10-²¹
мм³), то последние понижают поверхност­ное натяжение растворителя.

Совместная обработка доэвтектического чугуна упругими колеба­ниями и поверхностно-активными элементами способствует получению более дисперсной неориентированной первичной структуры и повыше­нию плотности отливок в среднем на 200…650 кг/м³. Металлографиче­ские исследования чугуна после обработки выявили значительное повы­шение количества ветвей аустенита при сокращении расхода модифици­рующих добавок (бор, алюминий, церий). На рисунке показано измене­ние плотности белого чугуна с содержанием 2,75 % углерода и 1,35 % кремния в зависимости от продолжительности отжига. На рисунке пока­зано изменение количества графитных включений на 1 мм² сечения 16-миллиметрового образца для исходного чугуна и после совместного воздействия модифицирования или легирования и ультразвука в течение 180 с при 1360… 1400 °С.

Среднее количество дендритов аустенита в белом чугуне зависит от продолжительности ультразвуковой обработки, объема и химического состава чугуна, типа модифицирующих добавок и других факторов.

Влияние химического состава и внепечной обработки на механические свойства чугунов

Изменение плотности белого чугуна:

1 — 0,78 % В + УО при 1360… 1400 °С; 2 — 0,0025 % В; 3 — 0,05 % Се; 4 — 0,002 % В + У О при 1360… 1460 °С;

5 — 0,04 % Се + УО при 1350… 1380 °С; (Уо и у_к — соответственно начальная и конечная плотность белого чугуна)

Изменение количества N графитовых включений по сечению 16-миллиметрового образца из чугуна:

1 — исходный чугун; 2 — модифицированный 0,02 % А1; 3 — 0,0025 % В,4- модифицированный 0,06 % Се + УО; 5 — 0,002 % В + УО; 6 — микролегированный 0,07 % В + У О в течение 2 гс.

Установлено, что при обработке чугуна упругими колебаниями и редкоземельными металлами характер распределения серы резко меняет­ся: сера выпадала в виде мельчайшей точечной фазы равномерно по все­му сечению образца. С повышением содержания углерода и кремния де­сульфурация в ультразвуковом поле облегчается. Угар и скорость рас­творения редкоземельных металлов высокие. При добавке мишметалла или его основных составляющих в количестве до 0,06 % в первые 180 с угорает до 50…80 % РЗМ, в то время как угар бора за это время состав­ляет 40…55 %.

В белом чугуне алюминий и другие элементы снижают раствори­мость углерода в цементите и ускоряют процесс графитизации. Можно предположить, что нитриды алюминия, бора и других элементов в про­цессе графитизирующего отжига активизируются, способствуя образова­нию центров кристаллизации.

Распад цементита в чугуне, обработанном упругими колебаниями и алюминием или бором, происходил при достижении 830…640 °С, а пер­лит начинает графитизироваться при более высоких температурах.

Даже малые добавки поверхностно-активных элементов (0,002… 0,07 %) и ультразвуковая обработка оказывают влияние на отклонение температурного интервала начала и конца образования в чугуне углерода отжига.

Положение границ критического интервала определяется путем ау- стенизации предварительно отожженного ковкого чугуна с ферритно- графитной структурой. Для более точного определения критического интервала графитизации модифицированного и обработанного ультра­звуком чугуна могут быть проведены дилатометрические исследования.

Например, нагрев образцов из модифицированного чугуна, обрабо­танного перед разливкой в форме при 1380… 1350 °С упругими колеба­ниями в течение 120… 180 с, а также контрольных образцов производил­ся до температуры 930 °С со скоростью нагрева 0,167 К/с. При этом уве­личение длины образцов за счет превращения феррито-графитной струк­туры в перлитно-графитную составляет 0,2 %.

Дилатометрические кривые графитизации чугуна, обработанно­го упругими колебаниями и рядом модификаторов, приведены на рисунке. Анализ дилатометрических кривых показывает, что границы интер­вала превращения феррито-графитной структуры в перлито-графитную находятся выше, чем для исходного немодифицированного чугуна. Сле­довательно, действие ультразвука на расплав — это комплексный процесс, состоящий из диспергирования включений, равномерного распределения их по объему расплава и смачивания диспергированных частиц в ультра­звуковом поле с образованием дополнительных центров кристаллизации, что обеспечивает измельчение структуры.

Дилатометрические кривые графитизации чугунов доэвтектического состава:

а — модифицированный 0,04 % Се + УО (кривая /) и исходный чугун (кривая 2), б — модифицированный 0,003 % Се + УО; в — модифицированный 0,002 % В; 0,002 % Sb + УО; г — 0,002 Sb; 0,001 Са; 0,001 % Zn + У О в течение 2 гс (кривая 3) и легированного хромом исходного чугуна + УО в течение 3 гс (кривая 4)

Изменение количества У ветвей аустенита на 1 мм² в образцах 0 30 мм (а), 0 60 мм (б) и 0 80 мм (в) из чугуна доэвтектического состава, закристаллизовавшегося под воздействием ультразвука (кривые 1,3 и 5) и без дополнительной обработки (кривые 2,4 и 6)

Исследование влияния совместного действия упругих колебаний и процесса модифицирования имеет актуальное значение для интенсифи­кации процесса производства и повышения качества износостойкого чу­гуна. Совместное действие на расплавы белого чугуна упругих колебаний и поверхностно-активных металлов позволяет повысить качество отливок при сокращении расхода модифицирующих добавок.

В современной металлургии получает распространение метод ком­плексной обработки литейных сплавов, включающий рафинирование расплавов экзотермическими шлаками с последующим легированием или модифицированием редкоземельными металлами или другими поверхно­стно-активными элементами. Учитывая, что расплав предварительно рас­кисляется в печи, а шлаковое рафинирование совмещается с раскислени­ем и легированием расплава, в ковшах достигается высокая степень его очищения.

При осуществлении плавки в печах ДСП-6М и ИЧТ-10 с последую­щим интенсивным перемешиванием расплава в литейном ковше проис­ходит как коалисценция включений, так и ассимиляция их шлаком, что существенно способствует повышению качества и эксплуатационных свойств чугуна.

Основная технологическая функция комплексных процессов рафи­нирования — возможно более полное очищение железоуглеродистого расплава от вредных и избыточных примесей, таких как кислород, сера, водород и микропримеси, путем перевода их из расплава в шлак. Предельная степень рафинирования определяется термодинамическими условиями равновесия соответствующих межфазных процессов.

Обработка белых чугунов синтетическим шлаком и редкоземельны­ми металлами приводит к существенному снижению содержания кисло­рода. Снижение содержания кислорода и серы улучшает пла­стические и вязкостные свойства износостойких чугунов. Выявлена по­вышенная стойкость отливок против горячих трещин.

Содержание кислорода в чугунах опытных плавок

Вам также могут быть интересны статьи:

Нанесение износостойких коррозионно-стойких покрытий на литые детали машин, механизмов и технологической оснастки Методы упрочнения поверхностей трения Микролегирование и модифицирование чугунов Характеристики структуры и свойств белых чугунов Методы улучшения структуры чугуна для деталей гидроаппаратуры Анализ воздействия компании на окружающую среду

(Пока оценок нет)

Загрузка...