Влияние комплексного легирования хромом и титаном на неметаллические включения в белых чугунах

Середа Б.П., Проценко В.М., Середа Д.Б. Дослідження процесу отримання титанових сплавів алюмінотермічним відновленням оксидної сировини

У роботі досліджено технологію отримання сплавів Ті-Al алюмінотермічним відновленням в електродуговій печі. Наведено галузі застосування отриманих сплавів Ті-Al. Встановлено, що при застосуванні як сировини титанового шлаку і діоксину титану отриманий метал, містить відповідно 60 і 78 % Ті.

Ключові слова: сплави Ті-Al, алюмінотермічне відновлення, електрометалургія, шлак.

Sereda В., Protsenko V., Sereda D. Process of titanium alloys receiving using alumi-nothermic recovery of oxide raw material

Technology investigation of Ті-Al alloys production using aluminothermic renewal at electro-arc furnace is provided. Sphere of received alloys application is given. It was established, that when the titanium slag and titanium dioxide used as raw material, the received metal contains correspondingly 60 and 78 % Ті.

Key words: alloys Ті-Al, aluminothermic reduction, electrometallurgy, slag.

УДК 621.74.669.16:621.74.669.13

Д-р техн. наук М. О. Матвеева, д-р техн. наук С. И. Губенко

Национальная металлургическая академия Украины, г Днепропетровск

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМОМ И ТИТАНОМ НА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В БЕЛЫХ ЧУГУНАХ

Изучены качественный состав, количество и распределение неметаллических включений в структурных составляющих отливок из белых чугунов, комплексно легированных хромом и титанам. Показана возможность получения минимального количества включений в структуре чугунов, что благоприятно с точки зрения литейных, механических и эксплуатационных свойств отливок.

Ключевые слова: литье, белый чугун, отливка, легирование, неметаллические включения, структура, свойства.

Введение

При получении отливок с высокими эксплуатационными характеристиками большое значение имеет выбор легирующего комплекса, который, обеспечивая необходимые показатели, не должен ухудшать литейные свойства, повышать газонасыщение сплава при плавке и загрязненность расплава неметаллическими включениями [1,2].

Неметаллические включения в затвердевшем сплаве являются частицами, нарушающими сплошность и однородность структуры. Они могут реагировать с газами и снижать физико-механические свойства сплавов. Их присутствие понижает ударную вязкость, износостойкость, усталостную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность и т. д. Наличие в сплаве некоторых включений обычно понижает химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические элементы, что способствует развитию процессов электрохимической коррозии [3]. Поэтому в абсолютном большинстве случаев наличие неметаллических включений в отливках является нежелательным.

Распределение включений в дендритной структуре сплава во многом зависит от момента их образования и поведения при кристаллизации. Легкоплавкие сульфидные включения, которые образуются на последней стадии кристаллизации, располагаются на границах зерен. Тугоплавкие включения, служащие центрами кристаллизации, расположены на осях и по всему объему дендритов [4]. В каждой группе литейных сплавов встречаются различные неметаллические включения [5]. Влияние включений на свойства чугунов исследовано значительно меньше, чем в сталях [6].

Целью данной работы было изучение комплексного легирования хромом и титаном на неметаллические включения в белых чугунах.

Материалы и методики исследований

Для исследований были получены низкохромистые белые чугуны, микролегированные титаном (табл. 1). Количество титана варьировалив интервале 0,01-0,20 %, хрома - 1,17-5,63 %. Анализ неметаллических включений проводили металлографическим методом на микроскопе «№о1Ы-21».

© М. О. Матвеева, С. И. Губенко, 2012

Таблица 1 - Химический состав низкохромистых чугунов, микролегированных титаном

№ Содержание элементов, %

п/п С Мп Сг Ті Бе Б Р

1 3,13 2,2 0,62 1,17 0,01 92,805 0,025 0,04

2 3,13 2,3 0,64 5,63 0,01 88,234 0,026 0,03

3 3,14 2,2 0,62 5,03 0,20 88,733 0,027 0,05

4 3,14 2,3 0,62 3,40 0,01 90,456 0,024 0,05

5 3,14 2,3 0,63 3,10 0,105 90,660 0,025 0,04

6 3,12 2,2 0,60 5,33 0,105 88,580 0,025 0,04

7 3,13 2,2 0,62 3,94 0,07 89,976 0,024 0,04

Для количественных исследований неметаллических включений построена симплексная решетка по плану Шеффе, для чего использовали схему, представленную на рис. 1.

По плану Шеффе возможно построение модели следующего вида:

У' [З^Х^-!- £$2^2 Рзх3 Р12Х1Х2^

+ Р13Х1Х3+ р2зх2х3 + ^123Х1Х2Х3’ 0)

ще 7 - свойство материала; |3 - коэффициент регрессии; х - количество материала в сплаве.

Коэффициенты регрессии определяли по формулам:

Р1=^

Р

ще ^ ^ ?123 - результаты опытов в точках симплексных решеток.

Теория и анализ полученных результатов

Металлографические исследования показали, что в серии плавок с 0,01 % Л в образцах с минимальным содержанием хрома (1,17 %) в отдельных участках шлифа остается до 0,5 % графита (рис. 2, а). Выявлены два вида неметаллических включений: сульфиды Ре-Мп и оксиды (рис. 2, б). При общем количестве включений 0,52 % основную их часть составляют шпинели. При изучении влияния хрома [7] и аналогичном его содержании в чугуне графит не выявлен, что свидетельствует о снижении карбидообразующего воздействия хрома в присутствии титана.

х2

ХГ]Л090 80 70 т 50 40 30 2# М 0 Хл

Рис. 1. Ключ симплексной решетки

В отливках чугуна с 1,26 % хрома, кроме оксидов и сульфидов, присутствуют сложные оксисульфидные соединения (рис. 2, в), однако число оксидных включений остается преобладающим и их общее количество остается примерно на том же уровне (0,54 %). С дальнейшим увеличением количества хрома в чугуне до 1,37 % в опытных отливках появляются хромистые шпинели (рис. 2, г). Общее количество включений снизилось до 0,25 %, преобладающее количество оксидов сохраняется, при этом включения более крупные.

В чугуне, содержащем 1,74 % Сг, обнаружили сульфиды Ре-Мп (рис. 2, д, е), оксиды типа шпинелей Мп0-Сг203 и небольшое количество соединений титана. Общее количество включений 0,31 % с преобладающим содержанием сульфидов. В чугуне, содержащем

3,75 % Сг, выявили небольшое количество сульфидов компактной формы ~ 0,22 %. При содержании 5,63 % хрома в чугуне присутствовали точечные включения простых и сложных оксидных включений, а также небольшое количество сульфидов.

Важным фактором, определяющим влияние неметаллических включений на свойства отливок, является их распределение в структуре чугуна. Установлено, что в основном они находятся внутри зерен перлита или цементита (рис. 3), что благоприятно с точки зрения механических свойств, т. к. обычно включения охрупчивают границы перлитных колоний.

В серии плавок с содержанием титана 0,2 % можно отметить увеличение общего количества включений (рис. 4), однако их содержание остается незначительным в пределах 0,60-1,20 %.

При содержании хрома 1,48... 2,02 % в чугунах опытных плавок количество неметаллических включений составляло 0,6-1,2 %, а их состав был разнообразнее, чем в предыдущей серии чугунов: оксиды и оксисульфиды (рис. 5, а), сульфиды (рис. 5, б), силикаты, нитриды и карбонитриды титана (рис. 5, в). Морфология включений определяется их природой. В чугуне, содержащем 2,55 % Сг, выявлено множество крупных сульфидов разной морфологии (рис. 5, г), сульфидные эвтектики (рис. 5, (3), а также оксисульфиды (рис. 5, е). При дальнейшем увеличении в чугуне количества хрома до 3,01... 5,03 % общая загрязненность включениями уменьшается, при этом они мелкие, имеют компактную форму и равномерно распределены внутри зерен.

ISSN1607-6885 Нові матеріали і технології е металургії та машинобудуванні №2, 2012

75

Рис. 2. Графит (а) и неметаллические включения в чугунах, содержащих 1,17 % Сг (а, б); 1,26 % Сг (в); 1,37 % Сг (г); 1,74 %

Сг (с), е); а - х150, остальные х 600

••

І111І

II

Рис. 3. Распределение неметаллических включений в структуре экспериментальных чугунов (титан 0,01%); х 600

1,-»

1,174,48 1264,8:1 1,37-2,02 1,74-2,55 ЗД1-ЗЛ5 3X04,63

Содгржание зрсыа, %--

Рис. 4. Содержание неметаллических включений в опытных чугунах

Исследование качественного состава неметаллических включений показало, что при увеличении в чугуне содержания титана и хрома возрастает не только общее количество включений, но также проявляется большее разнообразие их видов (рис. б).

В результате математической обработки экспериментальных данных по влиянию комплексного легирования на неметаллические включения получены коэффициенты регрессии (табл. 2). Это позволило построить симплексную решетку, характеризующую влияние химического состава чугуна на количественные характеристики включений (рис. 7).

Поля с недопустимым уровнем количества неметаллических включений не выделены, так как увеличение их числа происходило за счет образования упрочняющих фаз и не являлось отрицательным фактором.

В результате изучения количества и распределения неметаллических включений в опытных чугунах установлено, что применяемый легирующий комплекс Сг + Ті позволяет получать минимальное количество неметаллическихвключений в структуре отливки. При этом хром практически отсутствовал в оксидных включениях, что свидетельствует о ею присутствии в твердом растворе и карбидах и подтверждает ею максимально полное усвоение.

*

Рис. 5. Неметаллические включения в чугунах с различным содержанием хрома; х 600

1,76 1Л314 храма .

о Оксиды н СшьфшЕЫ ка Оксие^шъфнды И) Сшшкат э;1Ш, ТлСМ

Рис. 6. Качественный состав неметаллических включений в экспериментальных отливках

ISSN1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2012

77

лены внутри структурных составляющих. В то же время в чугуне выявлено большее качественное разнообразие неметаллических включений [8].

Выводы

Применение комплексного легирования белых чу-гунов хромом и титаном позволяет регулировать качественный состав, количество и распределение неметаллических включений в структурных составляющих. Показана возможность получения минимальною количества неметаллических включений в структуре чугунных отливок, что благоприятно с точки зрения литейных, механических и эксплуатационных свойств белых чугунов.

Список литературы

1. Гуляев Б. Б. Физико-химические основы синтеза сплавов / Б. Б. Гуляев- Л.: Из-во Ленинградского университета. - 1980. - 192 с.

2. Пикунов М. В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок / М. В. Пикунов. - М. : МИСИС, 1997. - 376 с.

3. Леви Л. И. Литейные сплавы / Л. И. Леви, С. К. Канте-ник. - М. : Высшая школа, 1967. - 433 с.

4. Бельченко Г. И. Неметаллические включения и качество стали / Г. И. Бельченко, С. И. Губенко. - К. : Техника, 1980. - 168 с.

5. Губенко С. И. Неметаллические включения в стали / С. И. Губенко, В. В. Парусов, И. В. Деревянченко. -Днепропетровск : АРТ-ПРЕСС, 2005. - 536 с.

6. Гиршович Н. Г. Чугунное литье / Н. Г. Гиршович. - М. : Металлургиздат, 1949. - 562 с.

7. Шаповалова О. М. Влияние хрома на формирование графита в чугуне / О. М. Шаповалова, М. О. Матвеева// Металознавство та термічна обробка металів. - 2004. -№ 4. - С. 24-30.

8. Матвеева М. О. Влияние хрома и титана на неметаллические включения в экономнолегированном чугуне для прокалочных опок / М. О. Матвеева, С. И. Губенко // Неметалеві вкраплення і гази в ливарних сплавах : зб. наук, праць XII Міжнародної науково-практичної конференції, 22-25 вересня 2009 р. - Запоріжжя : ЗНТУ, 2009. - С. 94-96.

Одержано 09.10.2012

Матвеева М.О., Губенко С.І. Вплив комплексного легування хромом і титаном на неметалеві включення в білих чавунах

Вивчений якісний склад, кількість та розподіл неметалевих вкраплень у структурних складових виливків з білого чавуну, що комплексно легований хромом та титаном. Показана можливість отримання мінімальної кількості включень у структурі чавунів, що є сприятливим з точки зору ливарних, механічних та експлуатаційних властивостей виливків.

Ключові слова: лиття, білий чавун, виливок, легування, неметалеві вкраплення, структура, властивість.

Matveeva М, Gubenko S. Influence of complex alloying with chromium and titanium on non-metallic inclu-sions in white cast irons

Quality structure, quantity and distribution of поп-metallic inclusions in structural components of white cast irons alloying by complex of chromium and titanium were investigated. It was shown the possibility of minimum quantity guarantee of поп-metallic inclusions in structure of cast irons that is favourable for casting, mechanical and service properties of cast article.

Key words: casting, white cast irons, cast article, alloying, поп-metallic inclusions, structure, properties.

Таблица 2 - Результаты определения количества неметаллических включений и расчета коэффициентов регрессии

№ сплава Функция отклика, Nem., % Коэффициенты регрессии для расчетного уравнения

Р значения

1 0,52 Pi 0,52

2 0,23 Рг 0,23

3 0,69 Рз 0,69

4 0,20 Р1Z -0,70

5 0,67 Різ 0,26

6 0,35 Ргз -0,44

7 1,10 Р1Z3 19,38

С? 5,63 .“/в; Ті 0,01 %

Рис. 7. Количество неметаллических включений в структуре опытного чугуна, %

Установлено, что количество титана и хрома оказывает влияние на качественный состав и распределение неметаллических включений. При содержании титана 0,01 % большинство включений находились внутри зерен перлита, что благоприятно с точки зрения механических свойств.

При содержании титана 0,20 % количество неметаллических включений в чугуне возрастает, они имеют компактную форму и более равномерно распреде-