Анотація до роботи:

Лахненко В.Л. Процеси взаємодії активних елементів модифікуючих добавок з рідким металом при одержанні високоміцного чавуну. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.04 – “Ливарне виробництво”. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2002 р.

В роботі досліджено процеси взаємодії магнію, бору, титану, цирконію та церію з залізо-кремній-вуглецевими розплавами, встановлено закономірності, що дозволяють регламентувати технологічні параметри одержання чавуну з кулястим графітом. Вивчено вплив вказаних елементів на рівень активності кисню в рідкому чавуні та на зміну характеру адгезіонної взаємодії Fe-C_Н-2%Si-розплаву з графітом відносно його базисної (00l) та призматичної (hk0) граней, а також на структуру та властивості високоміцного чавуну. Розроблено, оптимізовано та впроваджено економічно ефективну технологію виробництва чавуну з кулястим графітом.

1. Проведено комплекс досліджень взаємодії активних елементів Mg, B, Ti, Zr та Ce з рідкими сплавами системи Fe-C-Si, що дозволило встановити ефективність застосування зазначених елементів для рафінування рідкого чавуну, визначити їхній вплив на характер адгезіонної взаємодії розплаву з графітом, формоутворення графіту під час кристалізації чавуну, структуру і властивості металу у виливках.

2. Досліджено ефективність розкислення рідкого чавуну шляхом його вакуумування або добавки хімічно активних елементів, виявлена кінетика зміни активності кисню при розкисленні чавуну Mg, B, Ti, Zr і Ce. Показано, що кожному методу відповідає свій рівень розкислення, що мало залежить від вихідної концентрації кисню в металі. При цьому вакуумування дозволяє знизити рівень активності кисню до 3-410^-4, а добавка активних елементів –– до 3-1810^-5. Установлено, що швидкість вторинного насичення киснем приблизно однакова для близьких величин активності кисню в рідкому чавуні і температури.

3. При рафінуванні чавуну шляхом послідовного вводу в нього малих добавок магнію зміна концентрацій елементів у чавуні носить наступний характер: у початковий період практично весь уведений магній витрачається на розкислення аж до зниження активності кисню в розплаві до рівня 10^-5. Потім починається видалення сірки, при цьому зниження її вмісту відбувається пропорційно введеному магнію до концентрації сірки 0,025%. Після цього десульфурація відбувається менш інтенсивно, і одночасно розплав збагачується магнієм.

4. Вперше отримані температурні залежності контактного кута змочування й енергії адгезії з графітом розплаву Fe-C_Н-2%Si, що містить малі концентрації магнію, церію, бору, титану або цирконію.

5. Визначено інтервали концентрацій магнію і церію, при яких спостерігається їх інвертний вплив на міжфазну взаємодію в системі графіт – розплав і, відповідно, зміна величини енергії адгезії на базисній і призматичній площинах графіту. Встановлено, що наявність у залізо-кремній-вуглецевому розплаві магнію у кількості 0,03%, або церію у кількості 0,08% вже призводить до істотного підвищення поверхневого натягу сплаву, а також до зміни співвідношення енергії адгезії розплаву на базисній кристалографічній площині графіту (00l) і енергії адгезії на призматичній площині (hk0). При цьому енергія адгезії на базисній площині стає більшою, ніж на призматичній (W_a^00l > W_a^hk0). Рівновага зазначених енергій адгезії або більш високе значення енергії адгезії на базисній площині є важливими умовами росту включень графіту в кулястій формі. Збільшення концентрації зазначених елементів до 0,12 % Mg або 0,15 % Ce призводить до відновлення несприятливого співвідношення енергій адгезії на різних гранях графіту, тобто магній і церій мають інвертний вплив на поверхневі властивості в системі графіт – залізовуглецевий розплав.

6. Встановлено, що розплави Fe-C_Н-2%Si, які містять активні елементи — бор (0,10 %), титан (0,12 %) або цирконій (0,15%) мають позитивну різницю енергій адгезії на базисній і призматичній гранях графіту (W_a^00l > W_a^hk0), однак поверхневий натяг цих розплавів істотно нижче, ніж у сплавів, що містять магній або церій. При твердненні сплавів, що містять бор, титан або цирконій, кулясті включення графіту не утворюються. Таким чином, позитивна різниця енергій адгезії на базисній і призматичній гранях графіту є необхідною, але не достатньою умовою росту включень графіту в кулястій формі.

7. Встановлено, що серед активних хімічних елементів, що сприяють графітизації чавунів шляхом утворення високодисперсної фази в результаті взаємодії з киснем, сіркою, азотом і ін., титан і цирконій сприяють графітизації в інтервалі концентрацій до 0,1%, а залежності ступеня графітизації від концентрації бору і церію мають екстремальний характер — до 0,01% спостерігається збільшення ступеня графітизації, а понад ці концентрації має місце зворотний ефект.

8. Показано, що при одержанні високоміцного чавуну вторинне модифікування рідкого металу сумішами на основі ФСМг2 з бором, титаном, цирконієм і церієм призводить до підвищення графітизації сплаву і сприяє поліпшенню властивостей литого металу. Запропоновано лігатуру на основі заліза для інокулюючої обробки чавуну, яка містить 9-11% Zr та 25-30% Si.

9. Визначено оптимальні технологічні параметри рафінування чавуну безпосередньо в тиглі індукційної печі ємністю 10 т порошковим дротом, що містить 17% магнію. Установлено, що найбільший коефіцієнт використання магнію (68%) досягається при температурі чавуну 1300С і витраті магнію 2,7 г/с на тону рідкого чавуну. При більш високих температурах розплаву ефективність використання магнію знижується.

10. Показано, що рафінування чавуну, що передує його сфероідизуючій обробці, дозволяє не тільки зменшити кількість модифікатора, що витрачається, але й одержати в структурі чавуну більш високий ступінь сфероідизації графіту при однаковій кількості залишкового магнію і покращити механічні властивості високоміцного чавуну. Так зниження концентрації сірки в рідкому металі перед його модифікуванням з 0,041 до 0,008% сприяє при однаковій кількості в чавуні залишкового магнію (0,04%) збільшенню ступеню сфероідизації графіту з 70 до більш ніж 90%.

11. На основі досліджень розроблено і впроваджено в умовах КП «Київтрактородеталь» комплексну технологію одержання високоміцного чавуну на основі передільних чавунів і металовідходів, яка включає попереднє рафінування магнієм і модифікування комплексними лігатурами. Технологія економічно ефективна і забезпечує стабільність структури і властивостей високоміцного чавуну.

Публікації автора:

1. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Смачивание графита железо-кремний-углеродистыми расплавами, содержащими бор, ванадий, титан или цирконий. // Адгезия расплавов и пайка материалов. – Вып. 34. – 1999. – С. 32-36.

2. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Влияние давления на процессы модифицирования чугуна магнием. // Процессы литья. – №4, – 1999. – С. 16-20.

3. Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Раздобарин И. Г. Влияние модифицирования на структуру и свойства отливок при повышенном содержании в шихте передельных чугунов. // Процессы литья. - №1, - 2000. – С. 33-41.

4. Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Верховлюк А. М., Щерецкий А. А. Поверхностные свойства железоуглеродистых расплавов и их роль при модифицировании. // Процессы литья. – №3, – 2000. – С. 44-48.

5. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Кинетика растворения модификаторов в жидком чугуне // Расплавы. – №4, – 2001. – С. 15-19.

6. Раздобарин И.Г., Шумихин В.С., Потрух А.Г., Лахненко В.Л. Рафинирование чугуна порошковой проволокой // Процессы литья. – №3, – 2001. – С. 39-42.

7. Раздобарин И.Г., Шумихин В.С., Лахненко В.Л., Потрух А.Г. Влияние рафинирования на структурные особенности высокопрочного чугуна // Процессы литья. – №4, – 2001. – С. 40-43.

8. Шумихин В. С., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л., Щерецкий А. А. Влияние физико-химических методов раскисления на активность кислорода в железоуглеродистых расплавах // Материалы междунар. конф. "Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология". – Киев: – 2000. – С. 169-173.