УДК 620.17:669.13
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОСТАВА МОДИФИКАТОРА С НАНОСТРУКТУРНЫМИ ДОБАВКАМИ НА СВОЙСТВА СЕРОГО ЧУГУНА
© Кондратьев Виктор Викторович*, канд. техн. наук, e-mail: kvv@istu.edu; Балановский Андрей Евгеньевич, д-р техн. наук; Иванов Николай Аркадьевич, канд. физ.-мат. наук;
Ершов Владимир Александрович, канд. техн. наук; Корняков Михаил Викторович, д-р техн. наук Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет. Россия, г. Иркутск Статья поступила 22.01.2014 г.
Проанализированы производство и применение модификаторов для чугуна и стали. Рассмотрены составы типовых промышленных модификаторов с оценкой тенденций их развития. Показано, что перспективным направлением для создания модификаторов нового поколения принципиально иных типов является наномодифицирование железоуглеродистых расплавов.
Ключевые слова: модификаторы; чугун; сталь; нанотрубки.
Повышение физико-механических свойств, обеспечивающих безопасность эксплуатации литых деталей, работающих при повышенных нагрузках, всегда актуально. Для этого в производстве все чаще требуются отливки из серого чугуна только высоких марок. Улучшение литейно-механических свойств отливок из серого чугуна и сталей невозможно без эффективного легирования и модифицирования жидкого металла, позволяющего устранить отбел в чугунных отливках, измельчить зерно, устранить транскристаллизацию, ликвацию, усадку и другие нежелательные явления [1-6]. Необходимо отметить, что применяется свыше 500 действующих модификаторов и рафинирующих добавок различных типов, содержащих от 2-5 до 15 компонентов [7]. Из анализа работ по модифицированию [1, 2, 7-18] следует, что кремний является наиболее эффективным графитизатором и обязательным компонентом практически всех используемых в промышленности модификаторов. Добавки других элементов, таких как Са, Ва, Mg, Бг и др., используют лишь для усиления эффекта модифицирования и повышения живучести модификаторов [9-11]. Из обзорной работы, посвященной модифицированию чугуна, можно сделать вывод [18], что на сегодня наиболее перспективны комплексные модификаторы чугуна. Высказывается предположение [7, 9, 10, 16, 17], что их основным достоинством считается наличие в составе свободного углерода как сильнейшего графитизатора. В то же время важно понимать, что комплексные модификаторы
промышленного производства характеризуются узкими пределами по химическому составу и требуемой фасовочной дозой. Именно этот факт, по мнению авторов [16, 18], обеспечивает однородность механических свойств отливок из модифицированных сплавов при разной толщине стенок. Совершенствованию качества всех комплексных модификаторов способствуют диспергирование и чистота компонентов по содержанию вредных примесей [9, 10]. В работе [12] представлена новая концепция модифицирования жидкого чугуна, заключающаяся в организации фуллереноподоб-ной структуры, с применением результатов [14] и проанализировано влияние поверхностно-активных элементов Уа и У1а подгрупп таблицы Менделеева на процессы модифицирования и кристаллизации чугуна. Показано, что жидкий чугун является однофазной системой и представляет собой углеродно-железистый полимер, базовыми элементами его структуры являются фуллерены и углеродные наночастицы на их основе. Автором [14] разработана структурно-масштабная организация железоуглеродистого расплава и предложена новая классификация процессов модифицирования. Учитывая разнообразие способов выплавки чугуна и стали, номенклатуры отливок по массе и разностенности, и с целью удовлетворения требований современного производства необходимо создание прогрессивных технологий на базе комплексных модификаторов нового поколения, раскислительных смесей, рафинирующих добавок, значительно превышающих эффек-
тивность применяемых сегодня при существенно меньшем расходе. Решению этой задачи и посвящена данная работа.
Цель работы - исследование влияния нано-структурных добавок с повышенной химической активностью углерода и кремния на фазообразо-вание при затвердевании серого чугуна с помощью закалки из жидкого состояния.
Классическая теория зарождения центров кристаллизации [1, 3, 5, 6] не может достаточно полно объяснить формирование структуры отливки из чугуна при использовании модифицирования. Эта теория не учитывает химическое взаимодействие элементов расплава и физическое состояние фаз, что, в свою очередь, не позволяет построить теорию модифицирования чугуна. Например, до сих пор неясно, как с помощью термодинамических и термокинетических факторов можно «управлять» конечной структурой сплава с учетом формирования и развития центров кристаллизации, возникающих в переохлажденном и модифицированном расплаве в результате легирования и модифицирования. На сегодня существует несколько конкурирующих и взаимоисключающих теорий и моделей строения расплава жидкого чугуна. Анализ литературных источников [5-7, 12-16, 19] показывает, что создано более 10 конкурирующих теорий модифицирования. К ним следует отнести как традиционные теории - коллоидную, карбидную, полимеризационную, генетическую, так и современные модели - модифицирования III рода, коагуляционную модель, модель динамической микронеоднородности, эмбрионно-кластерную и другие [15]. Для каждой теории и модели характерна своя, особенная «форма» присутствия углерода в расплаве, которая определяет свою особенную «структуру» расплава чугуна. Очевидно, что в зависимости от постулируемой авторами теории структуры железоуглеродистого расплава (формы существования углерода) разрабатываются механизм образования центров кристаллизации и соответствующая этому механизму теория модифицирования. В связи с этим сложилась такая ситуация, что простая, на первый взгляд, производственная технология модифицирования чугуна не имеет единого теоретического обоснования модифицирования железоуглеродистых расплавов. Причиной разногласий и противоречий в этой теории модифицирования является отсутствие общих принимаемых большинством исследователей представлений о главном - механизме образования центров кристаллизации. В связи с этим
можно объяснить и большое количество используемых на практике модификаторов, так как каждая теория модифицирования требует своего практического подтверждения путем применения модификаторов определенного типа.
На основе анализа работ [7, 9, 10, 12, 15, 16] авторами сделано теоретическое обоснование эффективности использования дисперсных комплексных модификаторов исходя из следующих концептуальных положений. Согласно работам Н.Г.Гиршовича [6], чугун в жидком состоянии можно отнести к особому сложному виду дисперсных систем, в которых одновременно в неравновесном состоянии сосуществуют: макро-, микро- (10-3-10-5 см), ультрамикрокопические (10-6-10-9 и даже 10-13 см) частицы, в том числе и неметаллические включения, и такие, которые по современной терминологии можно отнести к наночастицам (10-9 м). Частицы таких размеров обладают исключительно высокой седиментаци-онной 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 [20, 21]. 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 [21]. Модифицированный расплав в первом приближении можно рассматривать как разбавленную суспензию, в которой дисперсной фазой являются частицы модификатора, а дисперсионной средой - расплав. Известно [17-19], что для достижения мелкозернистой структуры сплавов необходимо иметь в 1 см3 расплава больше, чем 106 центров кристаллизации (ЦК). Если в процессе модифицирования в расплав внести сопоставимое количество дисперсных частиц, являющихся источниками ЦК, то эффективность внепечной обработки резко повысится. В работах [17, 18] обоснованы преимущества дисперсных модификаторов при ковшовой обработке серых чугунов высоких марок. Так, комплексный модификатор, состоящий из дисперсных порошков УСМ и КСМ, способен внести в расплав больше чем 106 частиц. Усвоенный расплавом модификатор становится в нем твердой дисперсной фазой. Актив- ^ ное перемешивание способствует равномерному Я распределению частиц модификатора в расплаве. ^ Расчеты [18] показывают, что 0,5% модификато- ^ ра ФС75 с размерами кусков 1-10 мм вносит при ^
модифицировании в 1 см3 расплава в среднем 0,38 Ц
<
частиц. Для внесения в 1 см3 расплава 106 частиц |
КСМ при расходе его 0,1% от массы жидкого металла радиус частиц КСМ должен быть не более 13,9 мкм, а УСМ (при таком же расходе) не более 16,7 мкм. Согласно работам А.В.Чайкина, если чугун обработать дисперсными порошками в количестве 0,1-0,2% от массы расплава, то на 1 см3 расплава придется (17,8-35,6)-106 дисперсных частиц графита и (4,41-8,82)-106 мельчайших частиц кремния, что должно кардинально повлиять на характер кристаллизации и устранить отбел в отливках. Критерием живучести дисперсного модификатора типа КСМ по сравнению с модификатором ФС75 будет служить кинетическая и агрегативная устойчивость дисперсных частиц в расплаве. Кинетическая устойчивость частиц определяется их способностью к седиментации. По закону Стокса скорость обратной седиментации кусочков ФС75 составит 6,8 м/с. Скорость всплывания частиц КСМ и УСМ вследствие диспергирования резко уменьшится - до 2,6-10-4 и 3,8-10-4 м/с соответственно [16-18]. Таким образом, на дисперсные частицы типа УСМ и КСМ практически не влияют гравитационные силы, что обеспечивает их кинетическую устойчивость в расплаве. Известно [6, 11], что графитизирую-щие инокулирующие добавки хорошо смачиваются расплавом. В результате на их поверхности будет образовываться эквимолекулярная оболочка расплава, препятствующая коагуляции частиц. Кроме того, расплав после модифицирования представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему, обладающую избытком свободной энергии. Для достижения равновесия в расплаве растворение частиц модификатора «выгоднее», чем их коагуляция. Таким образом, с учетом наших теоретическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.