СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВ МОДИФИКАТОРА, ДОБАВЛЯЕМЫХ В РАСПЛАВ ЧУГУНА
DETERMINATION OF AMOUNT OF MODIFYING AGENT TO BE ADDED TO IRON MELT

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу определения количества модификатора, добавляемого в расплав чугуна, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Чугун представляет собой обычно используемый конструкционный материал для деталей грузовых автомобилей. Например, он используется в блоках цилиндров двигателей, головках цилиндров, гильзах цилиндров, крышках коренных подшипников и кронштейнах рессор.
Так как большинство литых деталей не подвергают последующей термической обработке или механической обработке с пластической деформацией для изменения их микроструктуры или устранения в них дефектов, то их характеристики в значительной степени формируются уже на стадии литья. Таким образом, чрезвычайно важной для характеристик литого изделия является структура после кристаллизации, то есть, количество и внешний вид первичной фазы (аустенита) и эвтектической структуры (аустенита и графита). Количества этих фаз/структур можно определить при помощи так называемого термического анализа на основе кривых охлаждения, записанных во время кристаллизации образца, взятого из расплава. Термический анализ описан, например, в документах SE516136, SE515026 и WO97355184.
Известный подход при использовании термического анализа для контроля фаз и структур в чугуне основан на температуре ликвидуса расплавленного железа, то есть, температуре, при которой расплав начинает кристаллизоваться. В зависимости от того, насколько измеренная температура ликвидуса для получаемого литого изделия отличается от заранее определенного значения, структуру конечной отливки можно менять, например, путем добавления углерода.
Однако этот известный способ не обеспечивает точного контроля того, как зарождаются или растут внутренние структуры, и дает лишь приблизительную оценку соответствующих количеств первичной фазы и эвтектической фазы.
Другой известной практикой является управление зарождением внутренних структур в железе путем добавления модификатора, но в случае известных способов обнаружено, что трудно оптимизировать добавляемое количество модификатора.
Зарождение внутренних структур в железе, таким образом, существенно влияет на его характеристики, в том числе, количество дефектов и прочность. Для окончательных характеристик получаемого литого изделия особенно важна структура эвтектической фазы. Однако тот факт, что существующие способы не предоставляют приемлемого показателя, характеризующего структуру этой фазы, может привести к проблемам с прочностью и отбраковке.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложить способ, позволяющий надежным образом определить количество модификатора, которое необходимо добавить в расплав чугуна, и устраняющий указанные выше недостатки или, по меньшей мере, снижающий их до минимума.
Сущность изобретения
Эта задача достигается при помощи способа определения количества модификатора, которое необходимо добавить в расплав чугуна в конкретном процессе литья, содержащего следующие этапы, на которых:
- обеспечивают первый контейнер для образца и второй контейнер для образца, каждый из которых имеет термопару, соединенную с аналитическим оборудованием;
- наполняют каждый контейнер для образца железным расплавом; записывают первую кривую охлаждения во время кристаллизации расплава в первом контейнере для образца и вторую кривую охлаждения во время кристаллизации расплава во втором контейнере для образца,
low
low
отличающийся тем, что перед наполнением железным расплавом в один из контейнеров для образцов помещают заранее определенное количество модификатора, отражающее уровень насыщения модификатором в этом конкретном процессе литья, причем количество модификатора, которое необходимо добавить в расплав в этом конкретном процессе литья, определяют на основе разницы между наименьшей эвтектической температурой (TE) на первой кривой охлаждения и наименьшей эвтектической температурой (TE) на второй кривой охлаждения.
Данный способ обеспечивает точное управление процессом литья, приводя всего лишь к небольшим вариациям в качестве получаемого литого изделия, следствием чего является снижение затрат, если учитывать меньшее количество брака во время литья, механической обработки и сборки, а также меньший риск аварийных ситуаций.
Согласно альтернативному варианту, упомянутое заранее определенное количество модификатора для процесса литья представляет собой среднее значение, полученное на основе уровней насыщения модификатором для множества расплавов чугуна в этом конкретном процессе литья.
Согласно альтернативному варианту, упомянутое заранее определенное количество модификатора для процесса литья представляет собой выбранное значение из уровней насыщения модификатором для множества расплавов чугуна в этом конкретном процессе литья.
В случаях, когда модификатор содержит кремний, влияние последнего на эвтектическую температуру предпочтительно исключают расчетным путем для модифицированного образца на основе заранее определенной зависимости.
Если это требуется, количество модификатора, которое необходимо добавить в этом конкретном процессе литья, можно изменять в сторону избыточного или недостаточного модифицирования расплава.
Данный способ в предпочтительном случае связан с определением структуры чугуна, по типу относящейся к пластинчатому графиту.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведена часть диаграммы состояния Fe-C.
На Фиг. 2 приведен график охлаждения расплава чугуна.
На Фиг. 3 показана тестовая установка для проведения эксперимента, соответствующего способу, предлагаемому настоящим изобретением.
low
На Фиг. 4 приведен график, иллюстрирующий разницу между соответствующими эвтектическими температурами TE модифицированного и не модифицированного образцов расплава чугуна.
Описание изобретения
В качестве введения рассмотрим теоретические основы настоящего изобретения.
v
M
Кристаллизация расплава включает возникновение небольших твердых зародышей из скоплений атомов, вокруг этих зародышей расплав будет впоследствии кристаллизоваться. Образование этих зародышей, то есть, зарождение, зависит от суммарной энергии в расплаве. Система, например, расплав металла, стремится к максимальному снижению имеющейся энергии. То, в каком состоянии будет находиться вещество с более низким уровнем имеющейся энергии, твердом или жидком, зависит от его температуры. Образование твердой фазы в расплаве приводит к возникновению объема, в котором атомы организованы энергоэкономным образом. В то же время, между твердой и жидкой фазами возникает поверхность раздела. Атомы на поверхности принудительно перемещаются в положения, которые они не заняли бы в обычной ситуации, и для их помещения в эти положения требуется энергия. В результате, когда расплав кристаллизуется в твердое тело, уменьшается свободная энергия G на единицу объема и увеличивается поверхностная энергия γ, причем это происходит при температуре ниже температуры T кристаллизации.
v
Изменения в суммарной энергии системы могут быть описаны уравнением ΔG=ΔGV+γA, где ΔG - суммарное изменение энергии, V - объем тела и А - площадь поверхности тела.
Образование зародышей происходит только, если оно приводит к снижению суммарной энергии системы, то есть, к отрицательному ΔG. Так как поверхностная энергия препятствует фазовому превращению, расплав будет оставаться жидким даже после снижения температуры ниже температуры кристаллизации. Это называется "переохлаждением" расплава. Чем сильнее температура падает ниже температуры кристаллизации, тем больше движущая сила для фазового перехода. Образование зародышей происходит, когда температура падает настолько сильно, что снижение энергии на единицу объема начинает превышать количество энергии, необходимой для создания поверхности. Для однородных расплавов это переохлаждение может составлять до нескольких сотен градусов, но обычно оно значительно меньше. То, насколько большое переохлаждение требуется для того, чтобы началось образование зародышей, показывает, насколько легко может происходить образование зародышей в расплаве, для расплавов это также называется "потенциалом образования зародышей".
Процесс кристаллизации чугуна может быть описан при помощи диаграммы состояния Fe-C, показанной на Фиг. 1, где на вертикальной оси отложена температура, а на горизонтальной оси отложено процентное содержание углерода по весу. На Фиг. 1 показано содержание углерода в области, относящейся к чугуну, то есть, до 5%. Линии на диаграмме разделяют различные фазы, в которые переходит железо при различных температурах и различном содержании углерода. Характеристиками диаграммы являются линия 1 ликвидуса и линия 2, представляющая эвтектическую температуру. Эти две линии важны для прогнозирования структуры литой продукции. При температуре ликвидуса выделяется аустенит, также называемый γ-железом. При эвтектической температуре из оставшегося расплава также начинает выделяться углерод. Углерод выделяется в виде графита, который, в зависимости от его строения, в значительной степени влияет на характеристики материала.
low
Во время охлаждения из полностью расплавленного состояния в кристаллизованное состояние, расплав проходит через различные фазы на диаграмме состояния Fe-C. На Фиг. 2 схематично изображена кривая кристаллизации для чугуна. Горизонтальный участок "а" при 1200°С обозначает температуру ликвидуса расплава. В этом месте в расплаве начинает образовываться аустенит. Когда температура проходит 1150°С, в месте "b", которое представляет собой наименьшую эвтектическую температуру TE расплава, начинается эвтектическая кристаллизация. Эвтектическая кристаллизация указана небольшим увеличением температуры расплава. Когда температура возвращается к неуклонному понижению, область "с", весь расплав перешел в твердую форму.
low
Обнаружено, что хорошим показателем потенциала образования зародышей для расплава является то, насколько большое переохлаждение необходимо для начала эвтектического выделения фаз, то есть, TE. Небольшое переохлаждение означает хороший потенциал образования зародышей. Во время эвтектической кристаллизации важно обеспечить высокий потенциал образования зародышей, так как это приводит к равномерному выделению графита во время кристаллизации. Равномерное выделение графита необходимо для получения хороших механических характеристик литого изделия, так как увеличение объема графита во время кристаллизации противодействует снижению объема аустенита.
Потенциалом образования зародышей можно управлять путем добавления мест образования зародышей в виде модификатора. Добавление модификатора повышает температуру, при которой происходит эвтектическая кристаллизация. Другими словами, меньшая степень переохлаждения расплава требуется для того, чтобы началась эвтектическая кристаллизация.
Важно оптимизировать содержание модификатора, добавляемого в расплав. Добавление слишком малого количества модификатора может вызвать неравномерное или недостаточное выделение графита, что приводит к образованию карбида и, в худшем случае, к так называемой "белой кристаллизации". Добавление слишком большого количества модификатора приводит к высокой стоимости производства, а также может привести к дефектам в структуре литой продукции, например, из-за распространения графита.
Таким образом, как упомянуто выше, предпочтительно определять потенциал образования зародышей для расплава в эвтектическом минимуме, месте "b" на кривой охлаждения. Это объясняется тем, что переохлаждение во время эвтектической кристаллизации оказывает непосредственное влияние на окончательную структуру литого изделия.
low
В результате проведения измерений авторы настоящего изобретения обнаружили, что может произойти "насыщение" расплава чугуна модификатором. Это означает, что при добавлении модификатора температура эвтектической кристаллизации перестает повышаться при определенном уровне, даже если добавляется еще больше модификатора. Как следствие, этот "уровень насыщения" представляет собой абсолютный предел для температуры TE расплава, являющийся наибольшей эвтектической температурой, то есть, наименьшим переохлаждением, которое на практике может быть достигнуто в расплаве.
Эта зависимость важна для способа, соответствующего настоящему изобретению, который более подробно описан ниже, так как она дает фиксированный уровень, определяющий, насколько высокой на практике может стать эвтектическая температура в расплаве чугуна. Таким образом, потенциал образования зародышей в не модифицированном расплаве можно сравнить с устойчивым эталонным значением.
Способ, соответствующий настоящему изобретению, ниже описан подробно.
Этап 1
В качестве первого этапа получают расплав чугуна, что выполняется путем плавления исходного материала, например, лома, возврата, первичного чугуна и отходов механической обработки. Состав и температура расплава контролируются, и выполняется любое необходимое регулирование.
Этап 2
В качестве второго этапа обеспечивают испытательное устройство для термического анализа. Испытательное устройство (см. Фиг. 3) содержит два тигля 1 и 2 для образцов, например, из формовочного песка, каждый из которых снабжен термопарой 3 и 4, соответственно. Термопары соединены с комплектом 5 аналитического оборудования, на котором установлено программное обеспечение для термического анализа. В один тигель помещают заранее определенное количество модификатора, обеспечивающее уровень насыщения модификатором для конкретного процесса литья.
Уровень насыщения модификатором, то есть, количество модификатора, которое нужно добавить в расплавы чугуна, чтобы произошло их насыщение этим модификатором, меняется вместе с параметрами процесса во время получения расплавов. Эти параметры содержат, например, состав исходного материала (лома) и настройки производственного оборудования.
При этом в промышленных процессах для получения деталей из чугуна, так называемых процессах литья, стремятся поддерживать параметры процесса как можно более неизменными, то есть поддерживать их в конкретных пределах. При изготовлении некоторых деталей, например, блоков цилиндров для двигателей, стремятся всегда использовать лом такого состава, который сохраняется в заданных пределах и/или всегда использовать одно и то же литейной оборудование для изготовления данной детали. Это делается для того, чтобы результаты различных литейных операций были максимально схожими.
Таким образом, количество модификатора, которое добавляют в упомянутый один тигель для образца, чтобы гарантировать, что помещенный в него расплав достигнет уровня насыщения, можно определять заранее как репрезентативное значение для конкретного процесса литья. Впоследствии это репрезентативное значение можно использовать каждый раз, когда в этом процессе литья необходимо получить новый расплав чугуна.
Это репрезентативное значение может, например, представлять собой среднее значение для уровней насыщения модификатором, определенных для множества расплавов для конкретного процесса литья, например, процесса литья определенного типа блоков цилиндров для двигателей. Репрезентативное значение также может быть выбрано из множества различных уровней насыщения модификатором, определенных для множества расплавов для конкретного процесса литья. Например, репрезентативное значение может представлять собой медиану, максимальное значение или минимальное значение. После этого репрезентативное значение для уровня насыщения модификатором для конкретного процесса литья сохраняется, например, в энергонезависимой памяти компьютера, из которой оно может извлекаться и использоваться каждый раз при необходимости выполнения этого конкретного процесса литья.
Также можно определить значения насыщения модификатором для множества различных расплавов чугуна, а затем построить линейную зависимость для этих значений насыщения.
low
low
low
low
Количество модификатора, требуемое для того, чтобы отдельный расплав чугуна стал насыщенным, определяют следующим образом. Определяют эвтектическую температуру TE одновременно для двух образцов, взятых из расплава. Один из образцов является не модифицированным, а другой содержит добавленный модификатор. Чтобы определить уровень насыщения, образцы расплава выливают одновременно, каждый в соответствующий тигель из двух идентичных тестовых тиглей, с последующим определением TE для каждого образца с использованием кривых охлаждения, записанных во время кристаллизации образцов. После чего на основе разницы между TE модифицированного образца и TE не модифицированного образца определяют потенциал образования зародышей для модифицированного образца. Процедуру повторяют несколько раз, при этом один образец каждый раз модифицируют количеством модификатора, которое постепенно возрастает по сравнению с предыдущей партией. Сравнивая потенциалы образования зародышей для нескольких последовательных образцов, можно определить уровень, при котором потенциал образования зародышей прекращает увеличиваться с увеличением содержания модификатора. Этот уровень представляет собой уровень насыщения модификатором для соответствующего расплава. Как упомянуто выше, уровень насыщения определяют для множества расплавов, на основе чего можно определить средний уровень насыщения для конкретного процесса литья, либо выбрать репрезентативное значение.
low
На Фиг. 4, которая более подробно рассмотрена позднее, показано, что эвтектическая температура TE прекращает увеличиваться, когда в некоторый расплав чугуна добавляют более 0,20% по весу модификатора.
Таким образом, уровень насыщения модификатором определяют путем выполнения нескольких последовательных экспериментов, каждый из которых содержит два одновременных измерения в двух отдельных идентичных тестовых тиглях при одних и тех же условиях. Это объясняется тем, что при термическом анализе, в ходе которого во время кристаллизации чугуна в тестовых тиглях записывают кривые охлаждения, на эти кривые отрицательно влияют различные факторы, которые искажают потенциал образования зародышей в расплаве. Ниже приведены примеры этих факторов:
- материал тестового тигля,
- вариации в расположении и конструкции термопар,
- вариации в потоке воздуха из-за стенок, вентиляции и подобного,
- количество расплава в тигле,
- химический состав расплава,
- температура расплава при заливке в тигель.
Приведенные выше искажающие факторы отрицательно влияют на результат измерения, например, смещая всю кривую охлаждения вверх или вбок, что приводит к расположению эвтектической температуры на некорректном уровне.
low
При этом, если ошибки происходят во время измерений, проводимых в двух тестовых тиглях в идентичных условиях, одна и та же ошибка будет отрицательно влиять на оба измерения. Эти искажающие факторы устраняются путем вычитания эвтектических температур TE для соответствующих образцов одной из другой.
Дополнительным фактором, отрицательно влияющим на результат, является содержание кремния в модификаторе. Модификатор обычно содержит кремний, например, в виде FeSi. Кремний изменяет химический состав расплава в модифицированном тестовом образце. Так как температура, при которой начинается эвтектическая кристаллизация, определяется химическим составом расплава, то эвтектическая температура в модифицированном образце увеличивается при добавлении кремния. Чтобы также исключить этот искажающий фактор, для модифицированного образца влияние кремния на эвтектическую температуру вычитают.
Также можно получить зависимость для влияния кремния на эвтектическую температуру. Это можно сделать путем исследования диаграмм состояния и линейной адаптацией. Эту зависимость также можно получить с использованием подходящей расчетной программы, например, ThermoCalc. Данную зависимость можно использовать для исключения расчетным путем влияния кремния на эвтектическую температуру.
Модификатор также может быть легирован не кремнием, а другими веществами, которые отрицательно влияют на линии равновесия на диаграмме состояния, то есть, отрицательно влияют на эвтектическую температуру. Также можно получить зависимости для того, насколько сильно отрицательное влияние этих веществ на эвтектическую температуру, и использовать эти зависимости, чтобы компенсировать эвтектическую температуру в модифицированном образце.
Этап 3
low
В качестве третьего этапа, тестовые тигли затем наполняют расплавом, и во время кристаллизации образцов записывают кривые охлаждения. Из двух кривых охлаждения после этого определяют наименьшую эвтектическую температуру TE для каждого образца. Наименьшую эвтектическую температуру не модифицированного образца затем вычитают из наименьшей эвтектической температуры модифицированного образца.
Согласно настоящему изобретению, влияние какого-либо содержания кремния в модификаторе на эвтектическую температуру модифицированного образца устраняют перед вычитанием этой температуры из эвтектической температуры не модифицированного образца.
Этап 4
В качестве четвертого этапа, вычисленную разницу в °С используют как основу для определения того, как много модификатора необходимо добавить в расплав, чтобы гарантировать, что получаемое литое изделие приобретет требуемую структуру. Результирующая разница в °С, то есть, потенциал образования зародышей для расплава, служит показателем того, насколько сильно удалена эвтектическая температура расплава от практически достигаемой эвтектической температуры. Результирующая разница в °С может быть соотнесена с окончательной структурой литого изделия.
Зависимость между разницей температур, добавляемым количеством модификатора и окончательной структурой литого изделия можно определить эмпирическим путем. Это делается путем получения нескольких расплавов в течение значительного периода времени, определения добавляемого количества модификатора при помощи способа, соответствующего настоящему изобретению, и отслеживания структуры литого изделия. Для каждого полученного расплава зависимость между величиной разницы температур в градусах и добавляемым количеством модификатора регулируют до тех пор, пока не будет получена приемлемая окончательная структура литого изделия.
Если это необходимо для некоторой продукции, также можно изменять количество модификатора, добавляемое в расплав, в сторону избыточного или недостаточного модифицирования.
Необходимо отметить, что невозможно добавить в индивидуальный расплав количество модификатора, точно соответствующее уровню насыщения для конкретного процесса литья с использованием этого расплава. Это объясняется тем, что уровни насыщения индивидуальных расплавов с течением времени начинают отклоняться от репрезентативного значения уровня насыщения для процесса литья. Например, отклонение может быть вызвано вариацией в составе индивидуальных расплавов в пределах заданных границ. Это означает, что уровень насыщения модификатором для каждого индивидуального расплава отличается от уровня насыщения для процесса литья в целом. Добавление модификатора в индивидуальные расплавы в количестве, точно указанном уровнем насыщения для процесса литья, приведет к их избыточному или недостаточному модифицированию. Как упомянуто ранее, избыточное модифицирование и недостаточное модифицирование имеют различные недостатки в плане затрат и характеристик материала.
Этап 5
В качестве пятого этапа, в расплав добавляют требуемое количество модификатора с последующей заливкой расплава в подходящую литейную форму.
Конечно, может случиться так, что необходимо получить только один расплав, и заранее определенное значение уровня насыщения модификатором для него отсутствует. В этом случае уровень насыщения определяют путем проведения нескольких последовательных экспериментов с двумя тестовыми тиглями, как описано выше. Определенное таким образом количество модификатора добавляют в расплав, который затем используют для литья.
Подробное описание вариантов реализации изобретения
Ниже настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретный пример.
В среднечастотной печи, изготовленной компанией АВВ, было получено 10 тонн расплава серого чугуна, по типу относящегося к содержащему пластинчатый графит.
На первом этапе было определено количество модификатора, необходимое для насыщения им данного расплава. С этой целью было изготовлено четыре тестовых партии, с номерами 1-4. Для каждой партии оборудование для отбора образцов, как показано на Фиг. 3, содержало два контейнера 1 и 2 для образцов в виде тигля из формовочного песка, каждый из которых был снабжен термопарой 3, 4.
Характеристики тиглей из формовочного песка и термопар были следующими:
- материал тигля: тигель в виде оболочковой формы из кварцевого песка, имеющий вес 65 г;
- песок покрыт смесью из 3,5% фенольной смолы, оксида железа и смазки на основе стеарина;
- термопары: из сплава NiCr-NiAl, изолированные путем помещения в трубку из кварцевого стекла высокой чистоты;
3
3
- расположение термопар показано на Фиг. 3, во время проведения измерений средний объем тигля составлял 4,86 см (исходя из реального веса 350 г и плотности 7,22 г/см).
Каждая термопара была соединена с отдельным каналом аналитического оборудования, содержащего компьютер, процессор которого был использован для работы программного обеспечения ATAS, предназначенного для проведения исследований, которое изготовлено компанией Novacast.
Был вычислен средний вес расплава, который могут вместить тестовые тигли, и в тестовый тигель 2 из партий 2-4 был помещен модификатор 6 типа Superseed из сплава FeSi с содержанием стронция. Количество модификатора вычислялось с учетом количества расплава (чугуна в % по весу), которое могут вместить тестовые тигли. Добавляемые количества модификатора приведены в таблице. В тестовые тигли партии 1 модификатор помещен не был.
После этого каждый тестовый тигель был наполнен одним и тем же количеством расплава, и во время кристаллизации образцов были записаны кривые охлаждения, которые были проанализированы программой для исследований.
low
low
low
low
low
Затем была определена наименьшая эвтектическая температура TE для каждой кривой охлаждения при помощи программы для исследований. Эта температура называется "измеренной" TE. Так как модификатор содержал кремний, то после этого было вычтено влияние кремния на эвтектическую температуру для каждого из трех модифицированных образцов. Образцы, откорректированные таким образом, называются имеющими "скорректированную" TE. В таблице  приведены "измеренные" эвтектические температуры TE для образцов 1 и 2 из каждой партии и эвтектические температуры для модифицированных образцов после компенсации кремния ("скорректированные" TE).
low
low
low
Эвтектическая температура для каждого модифицированного образца с "измеренной" TE была затем вычтена из эвтектической температуры для соответствующего не модифицированного образца. Результат называется "измеренная" ΔTE. После коррекции эвтектических температур для модифицированных образцов на содержание кремния, они были вычтены из эвтектических температур не модифицированных образцов. Результат называется "скорректированная" ΔTE. Значения приведены в таблице.
low
low
На Фиг. 4 приведен график, на котором показаны "измеренная" TE и "скорректированная" ΔTE для каждой партии.
Из графика можно видеть, что при коррекции для образцов влияния кремния на эвтектическую температуру разница между эвтектическими температурами модифицированного и не модифицированного образцов прекращает увеличиваться, когда содержание модификатора превышает 0,2% по весу. Таким образом, это содержание представляет собой уровень насыщения расплава модификатором. График на Фиг. 4 также показывает, что в случае, если для образцов нет компенсации влияния кремния, разница между эвтектическими температурами продолжает увеличиваться с увеличением содержания модификатора. Поэтому уровень насыщения модификатором не может быть определен.