УДК: 621.002.3:669.1

ВЛИЯНИЕ содержания магния в лигатурах на механические свойства отливок из высокопрочного чугуна ВЧ40

 

INFLUENCE OF MAGNESIUM CONTENT IN LIGATURES ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF CASTINGS FROM HIGH-STRENGTH Cast iron VC40

 

Клевцов А.А., Гавриленко А.В. (Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва, РФ)

Klevcov A.A., Gavrilenko A.V. («Moscow State of civil engineering» (National Research University)

 

В работе рассмотрены исследования выплавок модифицированного чугуна, наиболее целесообразно применять лигатуры системы с содержанием магния более 50%.

In work questions of researches of smelting of the modified cast iron are considered, it is the most expedient to apply system ligatures with the content of magnesium more than 50%.

 

Ключевые слова: чугун, плавка, магний, углерод, температура

Key words: Cast iron, melting, magnesium, carbon, temperature

 

В технологии производства чугуна используют химические элементы (Mg, Ce, Si и другие, главным образом карбидообразующие), которые влияют на форму графитовой составляющей микроструктуры сплава. Форма выделений графита послужила основанием для того, чтобы классифицировать чугун на белый, серый, ковкий и высокопрочный марки чугуна; на основании их физико-механических свойств выбрать область их применения при изготовлении деталей машин и оборудования. На морфологию формирования графитовой составляющей белого и серого чугуна влияют скорость охлаждения отливки (рис.1[1]): при неравновесных условиях (пунктирная линия – высокая скорость охлаждения – скорость роста ледебурита преобладает и формируется структура соответствующая белому чугуну); равновесные условия (сплошная линия – медленная скорость охлаждения появляются температурные условия для формирования графитовой структурной составляющей), а при получении ковкого чугуна – температурно-временной режим термообработки.  В отличие от этих разновидностей чугуна, в высокопрочном чугуне формирование графитовой структурной составляющей в виде сфероидальных выделений вызвано легирование чугунного расплава магнием или магнием и церием [2] перед заливкой его в форму. Металлический магний для этой цели применяют редко. Ввод его в реактор с металлическим расплавом при температуре 1350 – 14500С перед началом литья приводит к значительному выделению тепла (5287,7 кДж/г), т.к. температура кипения магния составляет 10650С. Тепловой эффект может сопровождаться частичным выбросом расплава. Поэтому вместо магния используют никель магниевые лигатуры либо соли хлористого магния. В производственной практике в основном применяют никелевые лигатуры, содержащие от 20 до 50% Mg.

А – аустенит, Г- графит, Ж – жидкость, Ц – цементит, Ф – феррит; пунктирная линия – неравновесное состояние

Рисунок 1- Диаграмма состояния FeC [1]

 

Лигатуры выплавляли в высокочастотных индукционных печах с керамическим тиглем посредством создания ванны магниевого расплава и порционного растворения в ней навесок никеля до расчетного содержания магния в растворе, с последующей разливкой в плоские стальные изложницы, для получения слитков толщиной 20 – 30 мм. В качестве шихты использовали катодный никель Н1 ГОСТ 849-97 и металлический магний Мг ГОСТ 804-93. Для подготовки навески, используемой при модифицировании, удобнее пользоваться пятидесятипроцентной лигатурой, т.к. состоит она из соединения MgNi2, которое придаёт ей хрупкость (рис.2), что облегчает подготовить компактную навеску требуемой массы. С целью определения влияния содержания магния в лигатуре никель-магний на твёрдость отливок из чугуна марки ВЧ40 провели опытные плавки. Показателями для выбраковки отливок являлось соответствие химического состава чугуна марки ВЧ40 требованиям ГОСТ7293-75 и твёрдость по Бринеллю, которая должна находиться в более узких пределах (190–220НВ) в соответствие с техническими требованиями на готовое изделие, чем это предусмотрено в стандарте (140-225НВ). Задаваемые требования к отливке по твёрдости, в отличие от стандарта, обеспечивают также удовлетворительную стойкость лезвийного инструмента при токарной обработке. Испытания на твёрдость проводили по ГОСТ9012-59 на твердомере ТШ-2 непосредственно на зачищенной торцевой поверхности отливки (массой 15кг, Ø150мм, длиной 120мм). В качестве шихтовых материалов применяли литейный чугун марок Л5 (~ 10%) и Л6 (ГОСТ4832-80), лигатуру на основе никеля содержащую 20% и 50% магния, покровный флюс в виде извести (ТУ14-11-77-74).Температуру металлического расплава измеряли с помощью термопары погружения ВР5/20 (ТУ ЯеО.021.142) и переносного потенциометра ПП-63.Чугунную составляющую шихты (350 кг) загружали в магнезитовый тигель индукционной печи ИСТ-0,4. Металл расплавляли и перегревали до 1475 – 15300С. Модифицирование чугуна осуществляли в ковше. Поэтому перед переливом расплава, на подину ковша помещали навеску никелево-магниевой лигатуры из расчёта 0,05%масс Mg в твёрдой шихте. Результаты опытов представлены в таблице 1. В плавках с 1 по 5 в расплав вводили лигатуру Ni -20%Mg, а с 6 по 8 плавки –Ni -50%Mg.         

Рисунок 2  - Диаграмма состояния MgNi [3]

 

Таблица 1- Результаты химического анализа опытных плавок

№№

плавок

Химический состав металла, %масс

t0C

НВ, 5/7

50/20

печь

ковш

C

Si

Mn

P

S

Mg

Ni

1

3,3

1,2

<0,001

0,01

0,04

н.о.*)

0,15

1475

1357

142,0

 

2

3,8

2,2

<0,001

0,01

0,5

н.о.

0,20

1480

1370

145,3

 

3

3,5

1,8

<0,001

0,01

0,1

н.о.

0,22

1493

1385

187,6

 

4

3,35

1,8

<0,001

0,01

0,04

н.о.

0,18

1492

1382

189,8

 

5

3,4

1,4

<0,001

0,01

0,04

<0,001

0,18

1470

1323

140,6

 

6

3,63

2,1

<0,001

0,012

0,1

<0,001

0,03

1510

1468

198,2

 

7

3,58

1,6

<0,001

0,01

0,1

<0,001

0,03

1503

1465

212,8

 

8

3,47

1,8

<0,001

0,01

0,1

<0,001

0,03

1530

1482

217,9

 

*)н.о. – не обнаружено.

 

Приведенные в таблице результаты свидетельствуют о том, что при использовании пятидесятипроцентной лигатуры удаётся отливать заготовки, обладающих достаточной твёрдостью, установленных производством. Проведенные измерения температуры позволяют предположить, что при более высоком содержании магния в лигатуре выделяющегося тепла несколько больше. Однако независимо от этого технологического фактора выделяющаяся энергия при экзотермической реакции растворения магния в железе, скорее всего, расходуется на формирование новых поверхностей из частиц углерода энергетически более выгодной сферической формой поверхности. Суммарная поверхность вновь образовавшихся частиц («сфероидов») углерода меньше, чем у частиц углерода, из которых они сформированы. Таким образом, при данных температурных условиях энтропия системы изменилась, и как следствие, её свободная энергия, т.е. процесс модифицирования магнием применительно к данной системе железо - углерод направлен на изменение энергетической ситуации отразившейся на форме углерода в жидком железе. Приведенное предположение противоречит допущениям сделанным, например, в [4], где в качестве источника коагуляции углерода рассматриваются различные экзогенные частицы, не обращая при этом внимания на их происхождение, как например карбиды железа, т.к. в качестве базиса при допущении используется диаграмма FeFe3C. Если опираться на физические свойства химических элементов, лежащих в основе диаграммы Fe–Fe3C, то выше линии ликвидус, вероятно, находятся взвесь, состоящая из жидкого железа, и твёрдых частицы углерода, т.к. температура плавления углерода составляет 35470С [5]. Для точных выводов о влиянии тепла, выделяющегося после ввода магния в металлический раствор (взвесь), на форму графитовых выделений необходимы специальные лабораторные эксперименты, позволяющие зафиксировать изменения свободной энергии расплава.

 

Список использованных источников

1.    Флемингс М. Процессы затвердевания. М.: Мир, 1997. 424 с.

2.    Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. М.: МИСИС, 1994. 480 с.

3.    Диаграммы состояния двойных металлических систем/ Под ред. Лякишева Н.П. М.: Машиностроение, с.295, т.3,кн.1, 872 с.2001г.

4.    Сборник докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей». Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006.

5.  Дж. Эмсли. Элементы М.: Мир, 1993. 256 с.