Исследование закономерностей формирования отливок из чугуна ЧЮ22Ш и разработка технологических рекомендаций для получения высококачественного литья

Актуальность. Современные технологии базируются на применении интенсивных режимов работы технических средств. При этом все более повышаются рабочие параметры скоростей, давлений и температур. Соответственно требуются материалы с высокими функциональными характеристиками. В частности, для работы в условиях высокотемпературной газовой коррозии применяют жаростойкие материалы. Во многих агрегатах газовая среда имеет широкий спектр составов, начиная от обычной воздушной среды и кончая средами с высокой коррозионной активностью, например, среда водяного пара, среды с высокой концентрацией сернистых и ванадий содержащих газов.

В качестве жаростойких материалов широко применяют в основном высоколегированные сплавы, в которых легирующими элементами являются дорогостоящие хром и никель. Общее содержание их в жаростойких сплавах достигает 30% и более. Тем не менее, срок жизни рабочих деталей из жаростойких сплавов ограничен. Причем, чем выше рабочие температуры, тем он короче. Это обусловливает повышенные затраты на поддержание агрегатов в рабочем состоянии. Примерами таких деталей являются колосники агломерационных машин, детали котельных установок, обжиговых, нагревательных и стекловаренных печей, формы для литья, выхлопные коллекторы форсированных автомобильных двигателей и др.

В связи с этим, снижение затрат на жаростойкие изделия при сохранении их рабочих характеристик, в том числе и срока службы, становится весьма актуальной задачей. Одним из перспективных вариантов её решения является изготовление таких деталей из высоколегированного алюминиевого жаростойкого чугуна ЧЮ22Ш. Отливки из чугуна ЧЮ22Ш отличаются, прежде всего, жаростойкостью при высоких температурах как в воздушной среде (до 1100° С) [1−7], так и в средах, содержащих серу, сернистый газ, окислы ванадия и пары воды. Кроме того, они функционально могут работать и как износостойкие изделия, имеющие высокую прочность при нормальной и повышенной температурах. При этом они легче и дешевле, чем отливки из высокохромистых сталей и чугунов аналогичного назначения.

Выполненные ранее исследования (Александрова H.H., Клочнева Н. И., Кова-левича Е.В., Бобро Ю. Г., Косникова Г. А. и др.) позволили оптимизировать-состав высоколегированного алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш, изучить его структуру, литейные и эксплуатационные свойства, разработать технологические режимы плавкилитья и термической обработки отливок, провести их промышленные испытаниями определить перспективные направления применения. Однако в настоящее время потенциал алюминиевого чугуна ЧЮ22Щ реализуется не полностью. Одним из сдерживающих факторов является недостаточная изученность закономерностей его кристаллизации, а также отсутствие сведений о теплофизических свойствах, что не позволяет корректно использовать современные методы моделирования литейных процессов для совершенствования технологии изготовления отливок. Нет также данных о параметрах питания отливок, что затрудняет получение их без внутренних дефектов усадочного характера. Отсутствует методика прогнозирования степени сферои-дизирующего модифицирования при обработке чугуна РЗМ, что не гарантирует получение требуемой структуры и свойств в отливках.

Цель работы. Исследование закономерностей формирования отливок из алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш и разработка на их основе технологических рекомендаций для получения высококачественного литья.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставились задачи:

•Исследование фазовых превращений при кристаллизации высоколегированного алюминиевого чугуна, а также теплофизических и литейно-техноло-гических свойств чугуна ЧЮ22Ш;

• Исследование условий образования шаровидной формы графита в чугуне с использованием метода измерения активности кислорода;

•Исследование зависимости параметров питания отливок (дистанции действия прибыли Ьдп, дистанции торцевого эффекта Ltd и суммарной эффективной дистанции питания L^) от их толщины t;

•Исследование влияния фактора литейной формы (песчаной и металлической) на структуру отливок переменной толщины;

•Разработка технологических рекомендаций для' получения высококачественных отливок и опытно-промышленное опробование результатов работы.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности кристаллизации высоколегированного алюминиевого чугуна, согласно которым из расплава сначала кристаллизуется первичный графит, потом ферритно-графитная эвтектика и затем остаток жидкой фазы трансформируется в максимально легированный алюминием феррит, а при последующем охлаждении чугуна вследствие снижения растворимости алюминия в, а — феррите из него выделяется железо-алюминиевый карбид, который при спектральном анализе выявляется как РеуА1Сх, где .у = 1,3 1,6.

2. Впервые измерены теплофизические характеристики высоколегированного алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш в интервале температур 500-^-1000° С, согласно которым удельная теплоемкость его с повышением температуры возрастает с 536 до 585 Дж/(кг-К), теплопроводность и температуропроводность при тех же условиях также монотонно возрастают соответственно с 12,6 до 15,5 Вт/(м-К) и от 4,0−10″ 6 до 4,5−10'6 м~/с.

3. Установлена количественная зависимость параметров питания отливок (дистанции действия прибыли ЬдП, дистанции торцевого эффекта Ьтэ и суммарной эффективной дистанции питания Ьу) от их толщины 1 и показано, что она описывается уравнением вида Ь= к • Iх.

4. Впервые определена активность кислорода в алюминиевом чугуне ЧЮ22 и показано, что она на два порядка ниже, чем у нелегированного чугуна, при этом увеличивается с повышением температуры по экспоненциальной зависимости.

5. Установлена зависимость активности кислорода в высоколегированном алюминиевом чугуне от количества РЗМ, введенного в расплав, и показано, что она, в отличие от нелегированных чугунов, имеет экстремальный характер и в области минимальных значений активности кислорода достигается наиболее полная’сферой-4 дизация графитных включений.

Практическая значимость.,.

1. На основе установленной зависимости доли шаровидного графита в чугуне ЧЮ22Ш от активности кислорода в расплаве разработана диаграмма, позволяющая по данным измерения активности кислорода в жидком чугуне спрогнозировать степень его сфероидизирующего модифицирования.

2. Разработаны лепестковые пробы для определения параметров питания отливок и методика выявления в них зоны осевой пористости путем измерения твердости, которые позволяют адекватно определить дистанцию действия прибыли Ьдп, дистанцию торцевого эффекта Ьтэ и суммарную эффективную дистанцию питания.

3. Определены значения параметров питания для отливок из чугуна ЧЮ22Ш различной толщины, применение которых позволяет обеспечить получение отливок без дефектов усадочного происхождения при минимальном расходе металла на прибыли.

4. Установлено распределение объемной доли графита по сечению отливок в зависимости от их толщины и условий формирования (в песчаной или металлической формах), что позволяет прогнозировать структуру получаемых отливок и с учетом этого выбирать технологические варианты их изготовления.

5. Разработаны технологические рекомендации для получения качественных отливок из чугуна ЧЮ22Ш, которые включают: а) определение оптимального расхода РЗМб) прогнозирование степени сфероидизации графита измерением активности кислорода в модифицированном-расплавев) выбор’параметров питания отливок в зависимости от их толщины и места установки прибылиг) выбор технологического варианта получения отливок в песчаной или металлической формах на основе прогнозирования их структуры.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, МИСиС, 2007 и 2009 гг.- международной конференции «Ninth Symposium on Science and Processing of Cast Iron — SPCI-9», November 2010, Luxor, Egyptнаучных семинарах кафедры технологии литейных процессов Московского института стали и сплавов (2007;2009 гг.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 36 таблиц, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 97 наименований.

выводы.

1. С использованием компьютерной программы Thermo-Cale построены политермические разрезы тройных Fe-C-Al и четверных систем Fe-CSi-Al для области составов, соответствующих чугуну ЧЮ22, по которым с учетом экспериментальных данных установлены последовательность, характер и температуры фазовых превращений, протекающих при кристаллизации чугуна;

2. Определены теплофизические свойства высоколегированного алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш в интервале температур 50(Н1000° С, согласно которым его удельная теплоемкость с повышением температуры возрастает с 536 до 585 Дж/(кг-К), теплопроводность и температуропроводность при тех же условиях также монотонно возрастают соответственно с 12,6 до 15,5 Вт/(м-К) и от 4,0−10″ 6 до 4,5- Ю-6 м2/с.

3. Показано, что активность кислорода в высоколегированных алюминиевых чугунах типа ЧЮ22 с повышением температуры увеличивается по экспоненциальной зависимости и при 1350−1620° С составляет (0,08 — 1,91) • 10″ 4%, что на два порядка ниже, чем в нелегированных чугунах.

4. Установлено, что зависимость активности кислорода от расхода РЗМ в алюминиевых чугунах, в отличие от аналогичной зависимости в нелегированных чугунах, носит экстремальный характер с минимумом при 0,13% РЗМ, при этом максимальная степень сфероидизации графитных включений достигается в области минимальных значений активности кислорода (2,3 — 2,5) • 10″ 5%;

5. Разработана методика определения параметров питания отливки на лепестковых пробах с выявлением зоны осевой пористости методом измерения твердости и показано, что зона пористости в отливках из ЧЮ22Ш выявляется только при толщинах стенки свыше 24 мм, которая возрастает с увеличением толщины отливки;

6. Выявлены количественные зависимости параметров питания отливок (дистанция действия прибыли Ьдп, и дистанция торцевого эффекта Ьхэ и суммарной эффективной дистанции питания L?) от их толщины t в виде эмпирических уравнений вида Ь=к • 1*, применение которых позволяет обеспечить получение отливок без дефектов усадочного происхождения при минимальном расходе металла на прибыли;

7. Установлено распределение объемной доли графита по сечению отливок в зависимости от их толщины и условий формирования (в песчаной или металлической формах), что позволяет прогнозировать структуру получаемых отливок и с учетом этого выбирать технологические варианты их изготовления;

8. Разработаны технологические рекомендации для получения из чугуна ЧЮ22Ш качественных отливок, которые включают: а) определение оптимального расхода РЗМб) прогнозирование степени сфероидизации графита измерением активности кислорода в модифицированном расплавев) выбор параметров питания отливок в зависимости от их толщины и места установки прибылиг) выбор технологического варианта получения отливок в песчаной или металлической формах на основе прогнозирования параметров их структуры;

9. Проведено опытно-промышленное опробование изготовления прецизионным литьем тонкостенной (4 мм) отливки «Коллектор выпускной» и более толстостенной (15 мм) центробежно-литой трубы и показано, что применение результатов исследования позволяет получать отливки с требуемой структурой и высокими показателями механических свойств.