Особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов и разработка эффективных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств

Актуальность проблемы. В свете возрастающих требований к конкурентоспособности отечественного машиностроения в развивающейся инновационной экономике проблема повышения технических и эксплуатационных характеристик выпускаемых машин и оборудования является весьма актуальной.

Учитывая, что почти половину деталей машин составляют литые заготовки и около 80% из них приходится на долю чугунных отливок, становится очевидной актуальность и необходимость решения указанной проблемы за счет разработки новых марок чугунов с более высокими физико-механическими свойствами и создания эффективных технологий изготовления отливок с высокими потребительскими характеристиками.

Разработанные в ЦНИИТМАШ высокопрочные чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом по своим техническим характеристикам остаются перспективными конструкционными материалами для широкой номенклатуры ответственных отливок в металлургии и машиностроении.

При этом высокопрочный чугун со своеобразной «вермикулярной» формой графита обладает сочетанием высоких прочностных и теплофизических свойств, которые выдвигают его в число наиболее перспективных конструкционных материалов для литых деталей мощных дизельных двигателей и крупногабаритной металлургической оснастки, работающих в условиях переменных повышенных температур и больших термоциклических и механических нагрузок.

Между тем, известные способы получения такого чугуна не позволяют стабильно получать преимущественно вермикулярную форму графита или требуют особых условий выплавки исходного расплава, методов ввода присадок и тщательного контроля всех операций технологического процесса.

Более надежным и эффективным является разработанный в ЦНИИТМАШ способ обработки исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), обеспечивающий стабильное формирование графита вермикулярной формы и воспроизводимые свойства чугуна. При этом редкоземельные металлы используются в виде комплексных РЗМ-содержащих лигатур, позволяющих снизить стоимость модификатора, повысить степень усвоения редкоземельных элементов, а также обеспечить экологическую безопасность технологического процесса.

Ранее проведенными в ЦНИИТМАШ исследованиями было установлено, что для получения графита вермикулярной формы необходимо иметь в чугуне определенное остаточное содержание РЗМ. При этом прочностные свойства чугунов с вермикулярным графитом зависят от соотношения в структуре количества вермикулярного и шаровидного графита и от остаточного содержания редкоземельных металлов. Требуемое количество РЗМ для обработки исходного чугуна определяется содержанием серы и температурой расплава.

Выявленные зависимости позволили разработать базовую технологию изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) и преимущественно ферритной металлической основой.

Однако остались не решенными такие вопросы, как:

• создание теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов с заданным типом металлической основы;

• выявление зависимости структуры и механических свойств высокопрочных чугунов от продолжительности затвердевания (или толщины стенки) отливки, в том числе в крупнотоннажных литых изделиях;

• исследование влияния параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава на формирование перлитной металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом.

Из-за недостатка данных об эксплуатационных характеристиках ЧВГ существенно ограничивалась область его применения в качестве конструкционного материала для широкой номенклатуры литых изделий. Цель и задачи работы. Комплексные исследования процессов кристаллизации и формирования литой структуры высокопрочных чугунов с целью разработки новых марок чугунов перлитного класса и создания эффективных промышленных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств при повышенных температурах, в условиях больших динамических и механических нагрузок, а также вибрации, трения и износа.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:

1. Установить зависимость изменения микроструктуры и механических свойств высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом от продолжительности затвердевания (толщины стенки) отливки, в том числе в тепловых узлах крупнотоннажных литых изделий.

2. Исследовать условия формирования литой структуры чугунов в зависимости от параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и на этой основе разработать технологию получения перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

3. Определить прочностные свойства при повышенных температурах и основные эксплуатационные характеристики перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

4. Разработать эффективные технологические процессы изготовления из высокопрочных чугунов крупногабаритной металлургической оснастки (кокили, изложницы, прокатные валки, холодильные плиты) и ответственных деталей мощных (600.6000 л.с.) дизельных двигателей с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях, и показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки структура изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом. При этом в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии «СЬипку» -графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований показано, что в колониях тонкодиференцированной эвтектики мелкие включения графита на поверхности шлифа имеют одинаковую морфологию с графитными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно «СЬипку» -графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450 мм сохраняет достаточно высокую прочность (ов >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. На основе полученных экспериментальных данных и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающая два основных экспериментально установленных положения: форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава- - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

5. Разработаны параметры легирования и графитизирующего модифицирования исходного расплава, обеспечивающие получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом при повышенных температурах (300.500°С) и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих материалов в металлургии и машиностроении.

7. Результатами эксплуатационных испытаний натурных деталей показано, что высокопрочные чугуны могут быть эффективно использованы: для изготовления ряда деталей дизельных двигателей, работающих при повышенных температурах в условиях трения и интенсивного износа, с целью повышения прочностных и эксплуатационных характеристик путем замены широко применяемых низколегированных чугунов с пластинчатым графитом;

— для производства крупногабаритных отливок металлургической оснастки с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая значимость работы:

Выполненные комплексные исследования позволили:

Впервые в мировой практике разработать технологию получения чугуна с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой в литом состоянии.

Определить литейные, прочностные и основные эксплутационные (износостойкость, демпфирующая способность, термоциклическая стойкость) характеристики чугунов с вермикулярным графитом.

Разработать конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом ответственных отливок с высоким уровнем прочностных и служебных характеристик, в том числе:

— крупногабаритных отливок кокильной и металлургической оснастки с повышенной эксплуатационной стойкостью,.

— литых деталей мощных (600.6000 л.с.) форсированных дизельных двигателей для транспортных и маневровых тепловозов, большегрузных самосвалов и стационарных дизель-генераторных электростанций.

Показать реальную возможность изготовления из чугуна с вермикулярным графитом качественных сложных фасонных отливок массой от нескольких килограммов до десятков тонн.

Разработать Государственный стандарт ГОСТ 28 394–89 «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки».

Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается: применением комплекса современных методов исследования и анализа чугунов, в том числе электронной микроскопии, рентгенографии и рентгеноскопии в сочетании со специальными методами подготовки и травления образцовиспользованием аттестованной измерительной и испытательной аппаратуры;

— обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистикисогласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов, натурных и эксплуатационных испытаний отливок.

На защиту выносятся:

Результаты комплексных исследований процессов формирования металлической основы высокопрочных чугунов в литом состоянии в зависимости от углеродного эквивалента, параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и продолжительности затвердевания отливки.

Теоретические основы механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

Результаты исследований прочностных свойств (статическая, усталостная и длительная прочности) при повышенных температурах, а также основных эксплутационных характеристик (демпфирующая способность, термоцикличекая стойкость, износостойкость) перлитного чугуна с вермикулярным графитом. Новые конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и работоспособность машин и оборудования в эксплуатации.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на шести Всесоюзных научных конференциях (1979. 1992 г. г.), на II Всесоюзном научно-техническом съезде литейщиков (Ленинград 1983 г.) и на II (Москва 1995 г.), VII (Новосибирск 2005 г.), VIII (Ростов на Дону 2007 г.) и IX (Уфа 2009 г.) съездах литейщиков России, на межрегиональной научной конференции (5−7 октября 2010 года, г. Набережные Челны) и на научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». (15−16 июня 2011 года г. Екатеринбург).

Публикации.

Основное содержание диссертации в виде научного доклада опубликовано в 74 печатных работах, в том числе в 63 научных статьях и в 11 авторских свидетельствах и патентах. Личный вклад автора заключается:

— в постановке и решении задач, поставленных в данной работев разработке методик исследований и личном участии в проведении экспериментов;

— в анализе полученных экспериментальных данных и обосновании основных положений научной новизны и практической значимости работы;

— в разработке теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов;

— в личном участии во внедрении разработанных новых технологий при промышленном производстве отливок из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

1. Александров H.H., Милъман Б. С., Ильичева Л. В., Андреев В. В., Моисеев С. Д., Косынкин В. Д., Супруненко В. В. Модифицирование чугуна комплексными лигатурами с РЗМ и иттрием. // Литейное производство. — 1975.-№ 7.-С. 3−5.

2. Александров H.H.,. Милъман Б. С, Андреев В. В., Ильичева JI.B. Получение, особенности кристаллизации и свойства нового вида высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. / Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления». НИИМАШ. М. — 1975. — Вып. 9. b. Андреев В. В., Бобылев Ф. К., Глинкин A.C. Ковшевая обработка ваграночного чугуна в процессе продувки металла газами. /Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления», НИИМАШ, 1975, вып. 11, c. 1−3.

4. Александров H.H., Милъман Б. С., Осада Н. Г., Ильичева Л. В., Андреев В. В. Кристаллизация и строение вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство. — 1975. — № 9 — С. 5−6.

5. Александров H.H., Милъман Б. С., Андреев В. В., Ильичева JI.B. Получение и свойства высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. — 1976. — № 8, — С. 12−14.

6. Александров H.H., Милъман Б. С., Ильичева JI.B., Соленков В. Т., Андреев В. В. Совместное влияние магния, бария и РЗМ на структуру и свойства чугуна. Литейное производство. — 1977. — № 1. — С. 4−5.

7. Андреев В. В. Чугун с вермикулярным графитом и перспективы его применения. / Труды ЦНИИТМАШ. М.-1977. — № 139. — С. 159−165.

8. Александров H.H.,. Милъман Б. С., Андреев В. В., Ильичева JI.B. Современные способы получения и свойства высокопрочных чугунов. / Сб. «Технология, организация пр-ва и управления». НИИЭинформэнергомаш. М. — 1977. — № 37.

9. Александров Н. Н., Милъман Б. С., Андреев В. В., Ильичева Л. В., Лебедев Ю. А., Александров ИИ, Королев В. А, Герасимов A.B. Применение высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом для деталей дизельных двигателей. // Литейное производство — 1977 — № 7 — С. 9−12.

10. Александров H.H., Андреев В. В., Ильичева Л. В., Милъман Б. С. Чугун с вермикулярным графитом. / В кн. Справочник по чугунному литью. Л.: Машиностроение, 1978;С. 79−81.

11. Андреев В. В., Ильичева Л. В. Чугун с вермикулярным графитом — новый литейный конструкционный материал. // Двигателестроение — 1980 — № 3. -С. 33−36.

12. Милъман Б. С. Бармыков А. С, Андреев В. В., Ильичева Л. В. Влияние сорбционных явлений в процессе кристаллизации расплава на форму графита, состояние межзеренных границ и пластические свойства чугуна. /Труды ЦНИИТМАШ. М. — 1980. — № 160.

13. Андреев В. В., Александров H.H., Милъман Б. С., Ильичева Л. В. Исследование особенностей образования вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство-1980 -№ 5.-С.5−6.

14. Андреев В. В., Ильичева Л. В., Батырев В. А. Распределение иттрия в чугуне с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1981;№ 2 — С. 6−7.

15. Андреев В. В., Герасимов A.B., Малышев В. В. Заварка дефектов отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1981; № 5-С. 23.

16. Александров H.H., Милъман Б. С., Андреев В. В., Ильичева Л. В., Капустина Л. С. Пути повышения надежности и долговечности чугунных деталей машин и оборудования. / Сб. Повышение прочности отливок в машиностроении. -М.: Наука, 1981.-С. 117−121.

17. Андреев В. В., Ильичева Л. В., Александров H.H. Особенности кристаллизации и морфологии графито-аустенитной эвтектики в чугуне с вермикулярным графитом. / В кн. Материалы 2-й всесоюзной научной конференции «Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа». Днепропетровск.-1982;С. 122−123.

18. Андреев В. В., Эксанов В. А., Хамбазаров A.M., Бармыков A.C. Применение высокопрочного чугуна в отливках для грузовых автомобилей. // Литейное производство. -1982; № 1. С. 16−18.

19. Андреев В. В., Хамбазаров A.M. Контроль механических свойств высокопрочного чугуна на литых образцах без механической обработки. // Литейное производство — 1982;№ 6-С. 14−16.

20. Андреев В. В., Ильичева JI.B. Структура и свойства чугуна в толстостенных отливках. // Литейное производство — 1982 — № 9 — С.10−12.

21. Ильичева Л. В., Андреев В. В., Фролов В. К., Беспалов Н. С. Перлитный чугун с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1983;№ 6.-С. 5−7.

22. Андреев В. В. Перлитный чугун с вермикулярным графитом — новый материал для деталей цилиндро-поршневой группы дизелей. / Сб. «Тезисы докладов 2-го всесоюзного съезда литейщиков» НИИМАШ. М. -1983. -С. 42−44.

23. Герасимов A.B., Андреев В. В. Циклическая прочность низколегированных чугунов с различной формой графита. // Литейное производство-1983 -№ 8. -С. 31.

24. Андреев В. В., Ильичева Я. В., Платонов В. Н. Длительная прочность и термостойкость чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1984;№ 4-С. 4−5.

25. Андреев В. В., Бармыков A.C. Оценка параметров графита и структурных составляющих матрицы в высокопрочном чугуне. / Труды ЦНИИТМАШ. М. — 1984.-№ 182.

26. Андреев В. В., Бармыков A.C. Влияние параметров графита и структурных составляющих матрицы на механические свойства высокопрочного чугуна. // Литейное производство.- 1984. № 7. С. 2−4.

27. Андреев В. В., Ильичева Л. В., Герасимов A.B., Фролов В. К. Технология получения и свойства перлитного чугуна с вермикулярным графитом. Труды ЦНИИТМАШ, — 1985. № 190. С.42−51.

28. Александров H.H., Андреев В. В., Черепов A.A. Чугун с вермикулярным графитом. / НИИМАШ. М — 1986. 52с.

29. Андреев В. В., Александров H.H., Косынкин В. Д., Супруненко В. В. Улучшение качества чугуна лигатурами, содержащими РЗМ. // Литейное производство — 1986;№ 8 — С. 2−5.

30. Александров H.H., Андреев В. В., Ковалевич Е. В., Черепов A.A. Производство крупногабаритных отливок из чугуна. НИИЭинформэнергомаш. М. — 1987 — № 3 (6−87−03).- 65с.

31. Андреев В. В.. Особенности структуры и свойств втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом, полученных методом центробежного литья в жидкостекольных формах. / Сб. «Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы», МДНТП. М. — 1990. — С.101−103.

32. Андреев В. В. Свойства втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1991; № 2- С. 17−18.

33. Беляков А. И. Андреев В.В. Выбор размеров проб для контроля ЧШГ в отливках.// «Литейное производство», — 1998. — № 12. — С. 31.

34. Зеленский В. Н., Перепечко Н. Ф., Барохвостова Т. А., Андреев В. В., Бложко Н. К. Производство отливок ответственного назначения для дизельных двигателей. // Литейное производство — 1999 — № 10 — С. 33−34.

35. Андреев В. В. Термообработка низколегированного высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 1999;№ 10.-С. 15−17.

36. Попов A.M., Сачек С. М., Сорокина Л. Д, Андреев В. В. Производство чугунных отливок в металлических формах.// Литейное производство. — 2001. — № 3. — С. 13−16.

37. Андреев В. В. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом. Машиностроение. Энциклопедия. Том II-2. Стали и чугуны. Гл. 3.4. М.: Машиностроение, 2001 -С. 583−601.

38. Андреев В. В. Технология и перспективы производства отливок из чугуна с вермикулярным графитом. //Металлургия машиностроения -2004;№ 3-С. 26−33.

39. Андреев B.B. Влияние толщины стенки отливки на прочностные характеристики и микроструктуру высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом. // Литейное производство.- 2004. — № 2. С. 2−6.

40. Лубяной Д. А., Макаров Э. С., Коллерова Т. Н., Андреев В. В. Внепечная обработка доменного жидкого чугуна для производства высококачественных отливок.// Литейное производство-2004; № 10. С.4−5.

41 .Чичков В. И., Самсонов Ю. Н., Дробышев А. Н. Федоренко Е.М. Андреев В. В. Особенности структуры сортопрокатных валков из чугуна с шаровидным графитом. //"Литейное производство". -2004. — № 12. — С. 3−5.

42. Андреев В. В. Условия формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. / Труды VII съезда литейщиков России. Т. I. 23−27 мая 2005 — С.139−142.

43. Андреев В. В. О роли деглобуляризирующих элементов в составе модифицирующих присадок для производства чугуна свермикулярным графитом. // Литейное производство — 2005 — № 1- С. 6−7.

44. Чичков В. И., Соловьев С. А., Самсонов Ю. Н., Требинская В. В., Андреев В. В., Александров H.H. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Литейное производство. — 2005. -№ 5.-С. 2−3.

45. Лубяной Д. А., Требинская В. В., Самсонов Ю. Н., Коллерова Т. Н., Андреев В. В. Влияние технологии выплавки и внепечной обработки чугуна на эксплуатационную стойкость изложниц для кузнечных слитков. //Заготовительные производства в машиностроении. — 2005 — № 8 — С. 3−5.

46. Андреев В. В. Особенности формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. // Литейное производство — 2006 — № 4- С. 15−17.

47. Андреев В. В., Капустина Л. С. Роль активных элементов в повышении эффективности графитизирующих железо-кремниевых лигатур. //"Литейное производство". -2006. — № 4. — С. 18−20.

48. Усманов Р. Г., Рябчиков В. И., Андреев В. В., Капустина Л. С. Сравнительные исследования эффективности графитизирующих модификаторов с различным содержанием бария. // Литейное производство.-2006,-№ 4.-С. 21−22.

49. Чичков В. И., Соловьев СЛ., Самсонов Ю. Н., Федоренко Е. М, Андреев В. В. Опыт производства холодильных плит для доменных печей из чугуна с шаровидным графитом на Западно-Сибирском металлургическом комбинате.//"Литейщик России". -2006. — № 6 — С. 23−25.

50. Андреев В. В., Коряженов Д. Н., Портнов Л. В., Чичков В. И. Холодильные плиты из чугуна с шаровидным графитом отечественного производства для доменных печей. //"Металлург". — 2008. — № 7 — С. 42−45.

51 .Андреев В. В. Современные технологии изготовления из чугунов с вермикулярным графитом отливок с высокими эксплуатационными характеристиками. «Вестник МГТУ им. Г.И. Носова».- 2008. — № 4(24). — С. 14−18. //"Черная металлургия". Бюллетень научно-технической информации. 2008. Вып. 11, (1307), с. 42−46.

52. Королев С. П., Панфилов Э. В., Гуртовой Д. А., Андреев В. В. Способ управления технологическим процессом производства чугуна с вермикулярным графитом. /"Труды IX съезда литейщиков России". Уфа 20−24 апреля 2009 г С. 66−68.

53. Андреев В. В., Ковалевич Е. В. Экологические и экономические аспекты производства из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. -2009.-№ 3.-С. 96−101.

54. Ковалевич Е. В., Андреев В. В. Управляемый экологически безопасный процесс получения чугуна с шаровидным графитом. // Проблемы черной металлургии и материаловедения — 2009. — № 4. -С. 18−22.

55. Андреев В. В., Фролов В. К. Износостойкость перлитного чугуна с вермикулярным графитом в условиях ограниченной смазки и сухого трения. // Литейное производство — 2009 — № 10 — С. 14−16.

56. Андреев В. В., Королев С. П., Панфилов Э. А. Новые эффективные технологии изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. — 2009 — № 12 — С. 5−7.

57. Андреев В. В. Формирование литой структуры нелегированных чугунов с вермикулярным графитом. // Литейное производство — 2010 — № 9. — С. 7−14.

58. Андреев В. В. Перлитный чугун с вермикулярным графитомперспективный конструкционный материал для литых деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей. // «Литейщик России», — 2010. — № 12.-С. 29−35.

59. Андреев В. В. Физико-химические основы формирования включений графита в высокопрочных чугунах. //"Вестник МГТУ им. Носова" -2011;№ 1-С. 17−26.

60. Андреев В. В.. Новая технология изготовления вертикальных прокатных валков методом центробежного литья. /Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 493−498.

61. К. В. Григорович, В. В. Андреев, В. Г. Мизин, ИГ. Родионова, И. В. Рябчиков. Модификаторы нового поколения для повышения потребительских свойств отечественной металлопродукции. // Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 337−341.

62. В. В. Андреев, А. Я. Дынин, И. В. Рябчиков, Р. Г. Усманов, Е. А. Иванчиков. Эффективность графитизирующих модификаторов нового поколения для повышения качества чугунных отливок. / Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 422−426.

63. Андреев В. В. Особенности технологии изготовления толстостенных двухслойных чугунных заготовок методом центробежного литья на машине с вертикальной осью вращения. //"Литейщик России" -2011. — № 8. — С. 12−17.

64. Чугун: A.c. № 501 109 СССР: М.кл.2 С22С 37/10. — № 1 977 418/22−1- заявл. 20.12.73- опубл. 30.01.76, Бюл. № 4.

65. Лигатура: A.c. № 573 508 СССР: М. Кл.2 С22С 35/00. — № 2 367 234/02- заявл. 26.05.76- опубл. 25.09.77, Бюл. № 35.

66. Чугун: A.c. № 719 158 ССССР: М. Кл.2 С22С 37/10.-№ 2 594 419/22−02- заявл. 13.02.78 (непубликуемое).

67. Способ получения легированного чугуна с вермикулярным графитом: A.c. № 829 681 СССР: М.кл.3 С21С 1/08.-№ 2 458 207/22−02- заявл. 07.01.77- опубл. 15.05.81, Бюл. № 18.

68. Способ получения высокопрочного чугуна: A.c. № 1 399 349 AI : — № 3 972 199/23−02- заявл. 01.11.85- опубл. 30.05.88, Бюл. № 20.

69. Модификатор чугуна: A.c. № 1 458 412 AI: — № 4 072 761/23−02- заявл. 30.05.85- опубл. 15.02.89, Бюл. № 6.

70. Состав огнеупорной массы для ремонта изложниц и поддонов к ним: A.c. № 1 616 764 AI. Бюл. № 48, 1990.

71. Форма для отливки изложниц: A.c. № 1 678 515. Бюл. № 35. 1991.

72. Устройство для отливки слитков: A.c. № 1 785 782. Бюл. № 1. 1993.

73. Износостойкий чугун. Патент РФ № 2 234 553. 2004.

74. Литейная форма. Патент РФ № 2 284 245. 2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях. При этом показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки микроструктура чугуна изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом, а в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии «СЬипку» -графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований установлено, что в тонкодиференцированной эвтектике мелкие включения графита имеют одинаковую морфологию на поверхности шлифа с вермикулярными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно «С1шпку» -графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450 мм сохраняет достаточно высокую прочность (ав >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. Впервые в мировой практике исследованы параметры и разработана технология, обеспечивающая надежное получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

5. На основе результатов исследований и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающего два основных экспериментально установленных положения: форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава- - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом с повышением температуры в интервале 300.500°С и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких динамических и механических нагрузок, переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих чугунов в металлургии и машиностроении.

7. Созданы, защищены авторскими свидетельствами и патентами и внедрены новые эффективные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов конкурентоспособных отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и долговечность деталей в эксплуатации, в том числе:

— крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки с повышенной в 1,5 раза эксплуатационной стойкостью;

— корпусных отливок и деталей цилиндро-поршневой группы мощных (600.6000 л.с.) дизельных двигателей для маневровых и магистральных тепловозов и большегрузных самосвалов;

— сортовых прокатных валков с отбеленным рабочим слоем с повышенной в 1,5.3,0 раза эксплуатационной стойкостью;

— холодильных плит доменных печей с высокой охлаждающей способностью и сроком службы до 15 лет.

8. Новые технологии полностью отвечают требованиям техники безопасности и промышленной санитарии литейных цехов и обеспечивают экологическую безопасность производства литья.

9. На основании результатов исследований физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов с вермикулярной формой графита разработан Государственный стандарт «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки» ГОСТ 28 394–89.

10. Совокупный экономический эффект от внедрения в производство разработанных новых технологий изготовления ответственных отливок из высокопрочных чугунов взамен чугунов с пластинчатым графитом за счет экономии легирующих элементов, повышения надежности и увеличения срока службы изделий в сопоставимых ценах составляет не менее 5 млн. рублей в год.

11. Полученные в работе результаты экспериментальных исследований представляют научный и практический интерес как при создании новых марок чугунов, так и инновационных технологий изготовления чугунных отливок с высоким уровнем потребительских свойств, в том числе крупнотоннажных литых изделий ответственного назначения.