Моидок: Левин1

Моидок: Левин1

УДК 669.131.7.001.5

, Воеводина чугуна с шаровидным графитом с повышенной прочностью в результате модифицирования расплава магнием и нанопорошком нитрида бора и фильтрации // Нанотехника, 2011.- № 3.- С. 61-64

1, 2

1 Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия

2 Хакасский технический институт Сибирского федерального университета, г. Абакан, Республика Хакасия

Разработана технология получения чугуна с шаровидным графитом с повышенной прочностью в результате модифицирования расплава магнием и нанопорошком нитрида бора и фильтрации

Ключевые слова: чугун с шаровидным графитом, прочность, модифицирование, магний, нанопорошок нитрида бора, фильтрация

В современном машиностроении одним из перспективных конструкционных материалов является чугун, который представляет собой сплав железа с углеродом (3,2-3,5% С). При этом без специальной обработки расплава графитовые выделения в чугуне при кристаллизации формируются в пластинчатый форме (Рис. 1а), что снижает механические свойства отливок. В отношении уровня механических свойств оптимальной является чугун с шаровидной формой графита (ЧШГ), отливки из которого характеризуются благоприятным сочетанием физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик. Шаровидная форма графита (Рис. 1б) в отливках из ЧШГ формируется в результате введения в жидкий металл магния, РЗМ, кальция и некоторых других компонентов. Однако при этом ЧШГ неизбежно загрязняется оксидными и сульфидными включениями.

а1 а2 б

Рис.1. Структура чугуна: а) с пластинчатым графитом а1) прямолинейной формы а2) завихренной формы; б) с шаровидной формой графита (ЧШГ). Х 100 [ГОСТ 3443-87 Отливки из чугуна с различной формой графита.]

Кроме того, известный специалист по чугуну считает [1], что чугун в жидком состоянии можно отнести к особому сложному виду дисперсных систем, в которых одновременно в неравновесном состоянии сосуществуют макроскопические, микроскопические (10-3…10-5 см) ультрамикрокопические (10-6…10-9 и даже 10-13 см) частицы, в том числе и неметаллические включения, и, которые, по современной терминологии, можно отнести к наночастицам (10-9 м).

Согласно основополагающей работе А. Эйнштейна [2] частицы такой размерности обладают исключительно высокой седиментационной устойчивостью из-за своих малых размеров (до 100 нм) и высокой удельной поверхности, и находятся в металлической жидкости во взвешенном состоянии, участвуя в броуновском движении [3]. В указанных работах показано, что для частиц размером даже до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести.

Присутствие таких включений в металлических расплавах является одной из причин возникновения дефектов в литых изделиях [4].

С целью очистки чугунов от вредных примесей в настоящее время в производстве широко применяется фильтрование расплавов через материалы разного состава [5-7].

В настоящей работе исследовали возможность повышения рафинирующей способности зернистых магнезитовых фильтров.

Чугун выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 путем переплава отходов чугуна ваграночной плавки (3,0-3,2% С; 3,2-3,4% Si; 0,6-0,8% Mn; 0,03-0,07% Mg; 0,03-0,04% S; ост. – Fe). Модифицирование производили «сэндвич-процессом» с применением 1-2 масс. % никель-магниевой лигатуры (15 масс. % Mg,; ост. – Ni), которую смешивали с 2-3 масс. % ферросилиция марки ФС75, и дробили эту смесь на фракции 5-10 мм. Смесь засыпали на дно ковша и догружали стальной стружкой для замедления процесса взаимодействия расплава с модификатором и снижения потерь магния. Чугун выпускали из печи при 14000С, в ковше расплав выдерживали 2-3 мин.

Фильтрование ЧШГ производили с применением магнезита MgCO3 с размерами зерен 10-15 мм, которые получали из порошкообразного магнезита фракции 1-3 мм путем окатывания в барабанном грануляторе. Магнезит представляет собой минерал из класса карбонатов, группы кальцита, состав MgCO3; содержит MgO 47,82%, CO2 52,18%. Исходным материалом для получения зернистого фильтра служил порошок магнезитовый ППЭ-88 (ГОСТ ).

Реальный канал в пенокерамическом или зернистом фильтре можно привести к эквивалентному цилиндрическому. В частности, для зернистого фильтра эквивалентный диаметр канала фильтра dэ равен [8]:

,

где dз – диаметр зерна фильтра, м; εэф – эффективная порозность фильтра,.м3/м3; (порозность – англ. porosity – отношение объема пор слоя кускового или зернистого материала к общему объему слоя) В числителе объем, занимаемый зернами, в знаменателе – объем всего фильтра.

Эффективная порозность фильтра меньше фактической ввиду несмачивания расплавом материала фильтра и неполного заполнения его поровых каналов. Прямыми экспериментами установлено, что эффективная порозность зернистых фильтров составляет εэф = 0,35-0,40, тогда как фактически она достигает εэф = 0,45-0,50 [8]. Согласно этой формуле диаметр эквивалентного цилиндрического канала фильтра составляет 6-8 мм. Но, учитывая тот факт, что магнезитовые зерна, даже и плакированные, имеют ноздреватую (раковистую [9]) поверхность (Рис. 2.), между магнезитовыми зернами должны существовать каналы капилляры (причем, извилистого характера), площади сечения которых соответствуют наноуровню (до 100 нанометров).

Рис. 2. Поверхность зерен магнезита

Магнезитовые зерна помещали в шамотный стакан между двумя огнеупорными сетками. Собранные фильтры прогревали перед заливкой до С.

Модифицированный чугун разливали в песчаные формы через воронки без фильтра и с фильтром. При этом сравнивали временное сопротивление отливок, полученные при фильтровании расплава через фильтр со свободной засыпкой зерен магнезита (высота слоя 75 мм), а также через фильтр, к зернам которого было приложено давление (высота слоя 65 мм) с целью уменьшения площади каналов-капилляров между ними.

Из фильтрованного и нефильтрованного чугунов для сравнительных исследований отливали ступенчатые пробы с толщиной ступеней 15, 30 и 60 мм. В ступенчатых пробах моделировали поведение неметаллических частиц при получении отливок из ЧШГ с развитыми плоскими поверхностями. Эффективность фильтрования чугуна оценивали качественно по серным отпечаткам темплетов отливок и количественно по изменению относительной площади «черных пятен» и точечных включений.

Серосодержащие включения на серных отпечатках темплетов отливок классифицировали на пятнистые (размер > 0,1 мм) и точечные (размер < 0,1 мм) Относительную площадь, занятую «пятнами», определяли планиметрическим методом Деллеса [10] на всей поверхности серного отпечатка темплета как Fп/Fo, а относительную площадь точечных включений Fт/Fo путем просмотра шлифов под оптическим микроскопом, где Fп – площадь, занятая пятнистыми включениями, мм2, Fт – площадь, занятая точечными включениями, мм2, Fo – общая площадь поверхности темплета, мм2.

Образующиеся при модифицировании неметаллические включения в ЧШГ представляют собой, в основном, продукты взаимодействия магния с кислородом (с образованием оксида магния MgO) и серой (с образованием сульфида магния MgS), температура плавления которых составляет соответственно 28250C и 20000С, что намного выше температуры модифицирования расплава (» 14000С). Поэтому при фильтровании чугуна неметаллические частицы контактируют с твердой поверхностью фильтра в отдельных точках (рис. 3, а). В этом случае частицы удерживаются на поверхности фильтра слабой адгезионной силой и могут смываться потоком расплава (особенно крупные включения), в связи с этим эффективность очистки расплава от крупных неметаллических частиц при прохождении его через фильтр из тугоплавкого материала относительно низка, тогда как для удержания частиц с размерами нанодиапазона (микроскопические (10-3…10-5 см) ультрамикрокопические (10-6…10-13 см) [1], этих сил оказывается достаточно с учетом особенностей структуры образований наноуровня.

Что касается частиц наноуровня, то в таких системах ярко проявляются особенности поверхностных состояний, так как число поверхностных атомов соизмеримо с числом объемных [11]. Например, доля избыточной (поверхностной) энергии относительно объемной в каплях алюминия при 1000 К возрастает от 9% для капель с размером 10 нм до 45% при размере 2 нм и даже до 90% при размере 1 нм.

Наночастицы обладают существенно искаженной кристаллической решеткой, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их привычный ход и последовательность. Характерной особенностью ультрадисперсных сред является их чрезвычайно высокая реакционная способность.

Результаты испытаний показали, что при фильтровании чугуна через фильтр, магнезитовые зерна в котором были уплотнены, временное сопротивление разрушению, σв оказалось на 5,88% больше (Табл. 1), чем при фильтровании расплава через свободно засыпанные зерна, что, очевидно связано с уменьшением площади каналов-капилляров между ними до наноуровня. При этом было установлено замедление скорости заполнения формы и незаливы ее полости, что подтверждает сужение каналов-капилляров между зернами фильтра. С целью усиления заполнения пришлось температуру заливки чугуна увеличить на 10…120С.

Исходя из опыта применения нанопорошков химических соединений в качестве модификаторов для повышения физико-механических характеристик алюминиевых сплавов, сталей и чугунов [12, 13] исследуемый чугун дополнительно модифицировали нанопорошком нитрида бора BN, который вводили в расплав (до 0,05 масс. %) в объеме алюминиевого прутка,

Наиболее высокое σв было получено при совмещении модифицирования чугуна магнием и нанопорошком нитрида бора BN (порядка 0,05 масс. %) с фильтрацией – 480 МПа, что на 67,83% превышает σв исходного чугуна и на 6,66 % σв ЧШГ, полученного при модифицировании расплава магнием с последующей фильтрацией.

Список литературы

1. Справочник по чугунному литью. Под ред. - 3-е изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 197с.

2. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Fluessigkeiten suspendierten Teilchen // Annalen der Physik Mai 1905 (ser. 4).- B.-17.- S. 549-560.

3. Броуновское движение // М.-Л.: ОНТИ, 193с.

4. Пороки отливок. Причины образования пороков и меры их устранения. Перевод с немецкого. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 195с.

5. , М, М. Рафинирование модифицированного в форме ЧШГ с помощью фильтрованной сетки из стекловолокна // Литейное производство – 1988 – № 4. – С. 4-5.

6. Hack J. A., Clark H. and Child C. The filtration of steel castings // The Foundryman, 1990.- № 4.- Р. 183-188.

7. Hawranek R., Lelito J., Suchy J. S, Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter // Archives of metallurgy and materials. – 2009 – V. 54.– Issue 2 – P.– 351-358.].

8. , Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящем слоем. –Л.: –Химия, – 1968 – 510 с.

9.. , Кристаллография и минералогия.- 3-е изд., перераб. и доп.- Л.: Стройиздат, 197с.

10. Стереометрическая металлография.– М.: Металлургия, 1976 – 272 с.

11. , , В. Характерные особенности ультрадисперсных сред// ДАН СССР.- 1985.- Т. 283.- №. 6.- С. .

12. Крушенко ]Г. Г. «Порошковые» технологии в металлургическом машиностроении // Тяжелое машиностроение, 2010.- № 3.- С. 27-30

13. Патент РФ № 000. Способ получения износостойких отливок из чугуна/ , , // БИ.- 1997.- № 16.

The technology of manufacturing the spheroidal graphite cast iron of the increased strength as a result of inoculation the melt by the magnesium and by the nanopowder of boron nitride with the filtering is developed

Key words: spheroidal graphite cast iron, strength, inoculation, magnesium, nanopowder of boron nitride, filtering

Таблица 1.

Влияние вида фильтра на содержание серы и временное сопротивление разрушению отливок из ЧШГ

Вариант обработки чугуна	Фильтр	Сера	Временное сопротивление разрушению, σв
Содержание, масс. %	Уменьшение, %	Величина, МПа	Прирост, %
Исходный немодифицированный, нефильтрованный	-	0,073	-	286	-
Исходный немодифицированный, фильтрованный	Магнезитовые зерна свободно засыпанные	0,050	31,50	310	8,39
Модифицированный Mg, нефильтрованный	Магнезитовые зерна свободно засыпанные	0,040	45,21	382	33,56
Фильтрованный модифицированный Mg,	Магнезитовые зерна свободно засыпанные	0,027	63,01	425	48,60
Фильтрованный модифицированный Mg,	Магнезитовые зерна уплотненные	0,025	65,75	450	57,34
Фильтрованный модифицированный Mg и нанопорошком BN,	Магнезитовые зерна уплотненные	0,025	65,75	480	67,83