Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун"
Исследованы физико-химические процессы при плавлении ферросилиция марки ФС75 в жидком чугуне. В плавящемся слое ферросилиция наблюдается интенсивный встречный диффузионный перенос железа в ферросилиций и кремния в чугун, в значительной мере определяющий характер и кинетику изменения фазового сост...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114935 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" / В.Б. Бубликов, В.П. Латенко, Ю.Д. Бачинский, В.В. Суменкова, Е.П. Нестерук, В.А. Тиньков, В.Я. Хоружий, Д.С. Козак // Процессы литья. — 2011. — № 5. — С. 9-18. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114935 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бубликов, В.Б. Латенко, В.П. Бачинский, Ю.Д. Суменкова, В.В. Нестерук, Е.П. Тиньков, В.А. Хоружий, В.Я. Козак, Д.С. 2017-03-21T09:24:25Z 2017-03-21T09:24:25Z 2011 Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" / В.Б. Бубликов, В.П. Латенко, Ю.Д. Бачинский, В.В. Суменкова, Е.П. Нестерук, В.А. Тиньков, В.Я. Хоружий, Д.С. Козак // Процессы литья. — 2011. — № 5. — С. 9-18. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114935 669.162.275:669-154 Исследованы физико-химические процессы при плавлении ферросилиция марки ФС75 в жидком чугуне. В плавящемся слое ферросилиция наблюдается интенсивный встречный диффузионный перенос железа в ферросилиций и кремния в чугун, в значительной мере определяющий характер и кинетику изменения фазового состава, температуры и скорости плавления. Получены экспериментальные данные о распределении кремния в зоне контакта ферросилиция с чугуном. Проанализировано модифицирующее влияние ферросилиция на кристаллизацию чугуна. Дослідженно фізико-хімічні процеси при плавленні феросиліцію марки ФС75 в рідкому чавуні. В шарі феросиліцію, що плавиться, спостерігається інтенсивний зустрічний дифузійний перенос заліза в феросиліцій та кремнію в чавун, значною мірою визначаючий характер та кінетику зміни фазового складу, температури та швидкості плавлення. Отримано експериментальні дані про розподіл кремнію в зоні контакту феросиліцію з чавуном. Проаналізовано модифікуючий вплив феросиліцію на кристалізацію чавуну Physical and chemical processes of ferrosilicon FeSi-75 melting in liquid cast iron are investigated. In a ferrosilicon melting layer intensive opposite diffusion transfer of iron in ferrosilicon and silicon in the cast iron appreciably defining character and kinetics of phase composition, temperature and speed of melting change is observed. Experimental data about silicon distribution in a ferrosilicon contact zone with cast iron are received. Ferrosilicon modifying action on cast iron crystallization is analysed. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Получение и обработка расплавов Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| spellingShingle |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" Бубликов, В.Б. Латенко, В.П. Бачинский, Ю.Д. Суменкова, В.В. Нестерук, Е.П. Тиньков, В.А. Хоружий, В.Я. Козак, Д.С. Получение и обработка расплавов |
| title_short |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| title_full |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| title_fullStr |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| title_full_unstemmed |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| title_sort |
экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" |
| author |
Бубликов, В.Б. Латенко, В.П. Бачинский, Ю.Д. Суменкова, В.В. Нестерук, Е.П. Тиньков, В.А. Хоружий, В.Я. Козак, Д.С. |
| author_facet |
Бубликов, В.Б. Латенко, В.П. Бачинский, Ю.Д. Суменкова, В.В. Нестерук, Е.П. Тиньков, В.А. Хоружий, В.Я. Козак, Д.С. |
| topic |
Получение и обработка расплавов |
| topic_facet |
Получение и обработка расплавов |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Исследованы физико-химические процессы при плавлении ферросилиция марки ФС75 в
жидком чугуне. В плавящемся слое ферросилиция наблюдается интенсивный встречный
диффузионный перенос железа в ферросилиций и кремния в чугун, в значительной мере
определяющий характер и кинетику изменения фазового состава, температуры и скорости
плавления. Получены экспериментальные данные о распределении кремния в зоне контакта
ферросилиция с чугуном. Проанализировано модифицирующее влияние ферросилиция на
кристаллизацию чугуна.
Дослідженно фізико-хімічні процеси при плавленні феросиліцію марки ФС75 в рідкому чавуні.
В шарі феросиліцію, що плавиться, спостерігається інтенсивний зустрічний дифузійний перенос заліза в феросиліцій та кремнію в чавун, значною мірою визначаючий характер та кінетику
зміни фазового складу, температури та швидкості плавлення. Отримано експериментальні дані
про розподіл кремнію в зоні контакту феросиліцію з чавуном. Проаналізовано модифікуючий
вплив феросиліцію на кристалізацію чавуну
Physical and chemical processes of ferrosilicon FeSi-75 melting in liquid cast iron are investigated.
In a ferrosilicon melting layer intensive opposite diffusion transfer of iron in ferrosilicon and silicon
in the cast iron appreciably defining character and kinetics of phase composition, temperature and
speed of melting change is observed. Experimental data about silicon distribution in a ferrosilicon
contact zone with cast iron are received. Ferrosilicon modifying action on cast iron crystallization
is analysed.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114935 |
| citation_txt |
Экспериментальное исследование физико-химических процессов в системе "плавящийся ферросилиций-жидкий чугун" / В.Б. Бубликов, В.П. Латенко, Ю.Д. Бачинский, В.В. Суменкова, Е.П. Нестерук, В.А. Тиньков, В.Я. Хоружий, Д.С. Козак // Процессы литья. — 2011. — № 5. — С. 9-18. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bublikovvb éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT latenkovp éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT bačinskiiûd éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT sumenkovavv éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT nesterukep éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT tinʹkovva éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT horužiivâ éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun AT kozakds éksperimentalʹnoeissledovaniefizikohimičeskihprocessovvsistemeplavâŝiisâferrosiliciižidkiičugun |
| first_indexed |
2025-11-26T04:49:15Z |
| last_indexed |
2025-11-26T04:49:15Z |
| _version_ |
1850609560576851968 |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011 № 5 (89) 9
Получение и обработка расплавов
уДк 669.162.275:669-154
в. б. бубликов, в. П. латенко, Ю. Д. бачинский,
в. в. суменкова, е. П. нестерук, в. а. тиньков*,
в. я. Хоружий, Д. с. козак
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
*Институт металлофизики НАН Украины, Киев
ЭксПериментальное исслеДование фиЗико-
ХимическиХ Процессов в системе «Плавящийся
ферросилиций-жиДкий чугун»
Исследованы физико-химические процессы при плавлении ферросилиция марки ФС75 в
жидком чугуне. В плавящемся слое ферросилиция наблюдается интенсивный встречный
диффузионный перенос железа в ферросилиций и кремния в чугун, в значительной мере
определяющий характер и кинетику изменения фазового состава, температуры и скорости
плавления. Получены экспериментальные данные о распределении кремния в зоне контакта
ферросилиция с чугуном. Проанализировано модифицирующее влияние ферросилиция на
кристаллизацию чугуна.
Ключевые слова: чугун, плавление, модифицирование, ферросилиций марки ФС75, диф-
фузия, фазовый состав.
Дослідженно фізико-хімічні процеси при плавленні феросиліцію марки ФС75 в рідкому чавуні.
В шарі феросиліцію, що плавиться, спостерігається інтенсивний зустрічний дифузійний пере-
нос заліза в феросиліцій та кремнію в чавун, значною мірою визначаючий характер та кінетику
зміни фазового складу, температури та швидкості плавлення. Отримано експериментальні дані
про розподіл кремнію в зоні контакту феросиліцію з чавуном. Проаналізовано модифікуючий
вплив феросиліцію на кристалізацію чавуну.
Ключові слова: чавун, плавлення, модифікування, феросиліцій марки ФС75, дифузія, фа-
зовий склад.
Physical and chemical processes of ferrosilicon FeSi-75 melting in liquid cast iron are investigated.
In a ferrosilicon melting layer intensive opposite diffusion transfer of iron in ferrosilicon and silicon
in the cast iron appreciably defining character and kinetics of phase composition, temperature and
speed of melting change is observed. Experimental data about silicon distribution in a ferrosilicon
contact zone with cast iron are received. Ferrosilicon modifying action on cast iron crystallization
is analysed.
Keywords: cast iron, melting, modifying, FeSi-75, diffusion, phase composition.
Постановка проблемы
Основой современных технологий получения высококачественного чугуна яв-
ляется модифицирование [1]. Поэтому для дальнейшего совершенствования
технологий, улучшения качества и повышения свойств чугунного литья перспек-
тивными являются развитие научных основ процессов модифицирования и созда-
ние новых эффективных модификаторов. При модифицировании происходят на-
грев, плавление, растворение, физико-химическое и химическое взаимодействие
компонентов модифицирующего сплава с жидким чугуном. Модифицирование
обеспечивает получение в структуре чугуна определенной формы и морфологии
графитных включений, предотвращает образование отбела в охлаждающихся с
высокой скоростью отливках, повышает технологичность, механические и слу-
жебные свойства литых изделий. Эффективность модифицирования в значитель-
ной мере определяется условиями растворения модифицирующих элементов в
10 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 5 (89)
Получение и обработка расплавов
жидком чугуне. Различие качественного и количественного фазового состава мо-
дификаторов влияет на кинетику перехода модифицирующих элементов в чугун
и таким образом предопределяет результативность действия модифицирования
на кристаллизацию и дальнейшее формирование структуры отливок. Самыми рас-
пространенными модификаторами чугуна являются ферросилиций и магниевые
лигатуры на основе ферросилиция [2-5].
Анализ последних исследований и публикаций. Анализ сортамента модифика-
торов для чугуна показывает, что они производятся, главным образом, на основе
ферросилиция. Графитизирующие модификаторы содержат 60-75 % �i, а сферои-
дизирующие графит магниевые лигатуры – 40-50 % �i [3, 4]. Наиболее распростра-
ненным графитизирующим модификатором является ферросилиций марки ФС75.
Модифицирующее действие ферросилиция усиливается введением в его состав
бария, кальция, стронция, РЗМ, алюминия и других активных модифицирующих
элементов [1, 4-6]. К главным факторам, определяющим эффективность модифи-
цирования, относятся теплофизические процессы, обеспечивающие расплавление
модификатора [7], и протекающие параллельно физико-химические процессы
переноса модифицирующих элементов в расплав чугуна [8].
В соответствии с диаграммой состояния Fe-�i [9-12] в структуре ферросилиция
возможно наличие промежуточных соединений Fe3�i, Fe2�i, Fe5�i3, Fe�i, Fe�i2в,
Fe�i2н, твердых растворов и кремния. Среди силицидов железа наиболее устойчива
к температуре плавления фаза ε (Fe�i), в которой содержится 33,2-34,2 %мас. или
49,0-50,5 ат.% �i – она существует во всем интервале температур и имеет тем-
пературу плавления 1410 0С. Соединение Fe�i2
в устойчиво в диапазоне темпе-
ратур 955-1220 0С, а его состав близок к Fe�i5 [11]. Структура высококремнистого
ферросилиция состоит из кристаллов кремния и эвтектики (�i + лебоит).
Выделение нерешенной части проблемы. Важнейшим показателем уровня тех-
нологии и качества тонкостенных чугунных отливок является отсутствие в их струк-
туре цементитной фазы. Модифицирование управляет формированием структуры
и свойств чугуна посредством минимизации величины интервала переохлаждения
и увеличения количества центров кристаллизации графита. Важнейшей функцией
модифицирования является предотвращение образования цементита в структуре
тонкостенных отливок. Это достигается исключением возможности переохлаждения
расплава ниже температуры образования метастабильной эвтектики (ледебурита).
Графитизирующий эффект от модифицирования ферросилицием ФС75, изготов-
ленного разными заводами, неодинаков, что объясняется различием в содержании
некоторых примесных элементов, являющихся модификаторами чугуна. Наличие
в составе ФС75 таких активных модифицирующих элементов, как кальций, алюми-
ний, титан, барий и другие может в значительной мере влиять на результативность
модифицирования. Основным источником примесных элементов в ФС75 является
исходное сырье. При выплавке одновременно с кремнием восстанавливаются и дру-
гие элементы, которые входят в состав ферросилиция. Алюминий, кальций, титан,
фосфор, магний и некоторые другие вносятся кварцитом и золой коксика. Стальная
стружка, которую используют в шихте, и частично контактные щеки, которые обычно
отливают из сплавов на медной основе, служат основными источниками попада-
ния в ферросилиций хрома, марганца, меди и сурьмы. Кроме природы сырьевых
материалов на содержание примесей в ферросилиции также влияет различие в
технологических приемах его выплавки и рафинирования [12, 13].
Ход эвтектической кристаллизации также зависит от способа введения модифи-
цирующих добавок в жидкий чугун. Когда металл находится в ковше, эффект моди-
фицирования теряется со временем. Считается, что выдержка расплава в ковше в
течение 5 мин снижает эффективность модифицирования на 50 %. Принципиальное
отличие внутриформенного и ковшового методов обработки расплава состоит в том,
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011 № 5 (89) 11
Получение и обработка расплавов
что в первом случае реализуется эффект позднего модифицирования, когда время
между модифицированием и началом кристаллизации отливок сведено к минимуму.
Особенно эффективно позднее модифицирование влияет на зарождение и рост
графитной фазы [6]. При вводе ферросилиция возникает термическая и химическая
неоднородность в расплаве чугуна, образуются микрозоны, обогащенные кремни-
ем. Модифицирующая способность ферросилиция повышается, если в его составе
имеется небольшое количество таких активных модифицирующих элементов, как
кальций, алюминий, барий, стронций, цирконий, церий и марганец [1], способ-
ствующих образованию дополнительных центров кристаллизации, что позволяет
эффективно управлять величиной эвтектического переохлаждения, формированием
графитной фазы и в целом структурой и свойствами чугунной отливки.
В последнее время для изготовления небольших литейных форм широко приме-
няются высокопроизводительные автоматические линии с кратковременным циклом
заливки одной формы – 5-10 с. Разрабатываемые применительно к указанным
условиям процессы позднего модифицирования должны быть малоинерционными,
что ставит задачу создания новых быстрорастворимых модификаторов. С учетом
того, что ферросилиций является базовым сплавом для производства многих гра-
фитизирующих модификаторов и магниевых лигатур, актуальным является исследо-
вание физико-химического взаимодействия плавящегося ферросилиция с жидким
чугуном, результаты которого послужат основой для создания быстрорастворимых
модификаторов с повышенной модифицирующей способностью.
Цель и методика исследований. Целью работы являлось экспериментальное ис-
следование физико-химических процессов, протекающих при модифицировании,
в системе «плавящийся ферросилиций-жидкий чугун».
На первом этапе исследование фазовых изменений в плавящемся ферроси-
лиции проводили с использованием закалочно-структурного метода. Образцы в
форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 10×10 мм с применением
алмазного круга вырезали из кусков промышленного ферросилиция ФС75. К торцу
образца огнеупорной обмазкой прикрепляли стальные штанги диаметром 3 мм,
длиной 350 мм. Закрепленный на штанге образец погружали в нагретый до необхо-
димой температуры жидкий чугун, находящийся в тигле выключенной индукционной
электропечи емкостью 10 кг. Глубина погружения образца составляла 100 мм. После
выдержки ~5 с образец извлекали из расплава чугуна и охлаждали на воздухе [14].
Исследование фазового состава плавившихся образцов ферросилиция проводили
на сканирующем электронном микроскопе J�M 6490 LV.
На втором этапе для исследования переноса химических элементов в зоне кон-
такта ферросилиция с чугуном изготавливали образцы двух типов в виде пластины
размером 12×56 мм толщиной 5 мм массой ~10 г и в виде ступенчатой пластины
размером 17×56 мм с толщиной ступенек 5; 3; 2 мм массой ~23 г. Указанные об-
разцы фиксированно размещали вдоль оси цилиндрической полости диаметром
55 мм, расположенной в песчано-глинистой литейной форме. Заполнение форм
с образцами ферросилиция проводили через сифонную литниковую систему
жидким чугуном с температурой 1400-1420 0С. Масса цилиндрического слитка с
остатком плавившегося ферросилиция составляла ~2,3 кг. Темплеты и шлифы для
металлографического и микрорентгеноспектрального анализов вырезали из зон,
где располагались образцы ферросилиция. Металлографический анализ структур
в контактной зоне проводили на оптическом микроскопе МИМ-7. Фазовый и хими-
ческий составы исследовали на рентгеновском электронном микроанализаторе
РЭММА-102.
Анализ полученных данных, обоснование научных результатов. Микроструктура
исходного ферросилиция ФС75 (рис. 1) состоит из двух фаз (табл. 1): крупных кри-
сталлов кремния темного цвета и более светлого лебоита (Fe�i
2
).
12 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 5 (89)
Получение и обработка расплавов
По данным микрорентгеноспек-
трального анализа в составе ферро-
силиция наряду с кремнием и железом
также имеются (в %мас.): 0,32-0,42 Al;
0,26 Mn и небольшое количество бария.
Согласно опубликованным вариантам
диаграммы состояния Fe-�i, темпера-
тура плавления кремния составляет
1414 0С (1430 0С), а лебоита – 1202 0С
(1207 0С). Температурный интервал
плавления стандартного ферросилиция марки ФС75 – 1210-1315 0С [12]. По
данным работы [8] температура ликвидуса, при которой начинается плавление
75%-ного ферросилиция, составляет 1360 0С.
Микроструктура затвердевшего при охлаждении на воздухе плавившегося слоя
образца вблизи границы с чугуном (рис. 2, табл. 2) состоит из остатков кристаллов
кремния округлой формы (спектры 1 и 5), соединения Fe�i (спектр 3), остатков
лебоита (спектр 4), соединения Fe
2
�i (спектр 6) с высоким содержанием железа
(80,9 %мас.). Встречаются также похожие по цвету и форме на кремний включения
черного цвета, в состав которых наряду с кремнием и железом входят примесные
элементы алюминий, кальций, кислород, сера (спектр 2). В округлых включениях
кристаллического кремния содержится 2,11-16,54 %мас. Fe.
Таким образом установлено, что в плавящемся слое на поверхности образца ин-
тенсивно протекают процессы переноса кремния из ферросилиция в чугун и железа
– из чугуна в ферросилиций. В результате этого в плавящемся слое уменьшается
количество кристаллического кремния. Большая его часть, обогащаясь железом,
переходит в лебоит. Лебоит, имевшийся в структуре исходного ферросилиция, как
и лебоит, образующийся из кристаллов кремния, насыщаясь железом, переходят в
Fe�i (ε) и далее по мере повышения содержания железа в ферросилиции последо-
вательно образуются соединения Fe
5
�i
3
(η), Fe
2
�i (α”) и Fe
3
�i (α’). Соединения Fe
2
�i,
Fe�i и Fe�i
2
в плавятся конгруэнтно соответственно при 1210, 1410 и 1220 0С [11].
В рассматриваемом случае (см. рис. 2) микроструктура у наружной поверхности
плавящегося слоя состоит, главным образом, из Fe�i (ε) и округлых включений крем-
ния в небольшом количестве. Температура плавления этих фаз составляет более
1410 0С. Ускорению процесса плавления способствует наличие в микроструктуре
ферросилиция эвтектик Fe�i+Fe�i
2
в и Fe�i+Fe
2
�i с температурами плавления соот-
ветственно 1215 и 1204 0С.
Микроструктура затвердевшего плавившегося слоя вблизи его границы с фер-
росилицием (рис. 3, табл. 3) состоит из двух основных фаз: кремния (спектр 1) и
Фаза
Химический состав, %мас. / %ат.
Si Fe
Si 100/100 –
FeSi2 56,51/43,49 72,10/27,90
таблица 1. фазовый состав ферроси-
лиция фс75
200 мкм500 мкм
Рис. 1. Микроструктура ферросилиция ФС75
×30 ×150
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011 № 5 (89) 13
Получение и обработка расплавов
таблица 2. Химический состав фаз в микроструктуре наружной
части плавившегося слоя ферросилиция
Номер
спектра
Химический состав, %мас. / %ат.
Si Fe Al O S Ca Cr Mn Ni
1 – – – – – – –
2 – – –
3 – – – – – – –
4 – – – – – –
5 – – – – – –
6 – – –
Сум-
марный
спектр
– – – – –
83,46
90,94
86,63
89,41
16,54
9,06
9,32
4,84
0,60
0,64
2,31
4,18
0,56
0,50
0,59
0,42
33,07
49,56
66,93
50,44
52,48
68,33
46,75
30,61
0,78
1,05
97,48
98,49
2,11
1,07
0,41
0,43
17,36
29,28
0,49
0,42
0,28
0,21
0,65
1,14
80,90
68,64
0,35
0,29
36,49
53,14
62,77
45,97
0,46
0,69
0,25
0,43
100 мкм �i ka1а б
Рис. 2. Микроструктура плавивше-
гося слоя ферросилиция (а) вблизи
границы с чугуном, распределение
в составляющих микроструктуры
�i (б) и Fe (в) в рентгеновском из-
лучении этих элементов
в
Fe Ka1
спектр 1
спектр 2
спектр 3
спектр 4
спектр 5
спектр 6
14 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 5 (89)
Получение и обработка расплавов
лебоита (спектр 2). Кристаллы кремния
в результате встречного диффузионно-
го переноса железа и кремния начали
дробиться и приобрели округлую фор-
му. В лебоите наблюдаются небольшие
округлые включения черного цвета
(спектры 3-5). Предположительно это
результат начальной стадии процесса
распада метастабильной модификации
соединения Fe�i
2
в [12], образовавшейся
вследствие быстрого охлаждения об-
разца, извлеченного из жидкого чугуна.
В состав включений черного цвета вхо-
дят (в %мас.): 60-80 �i; 11-30 Fe; при-
месные элементы Al, Ca, Ti, Cu, а также
кислород и сера. Таким образом, можно
предположить, что на субграницах лебоита сосредотачиваются оксиды и сульфиды
примесных элементов. При этом не исключается наличие в составе включений не-
большого количества оксидов железа и кремния, а также сульфидов железа.
Образование при охлаждении в структуре плавящегося слоя образца лебоита
в метастабильном состоянии также подтверждается наблюдаемой склонностью к
рассыпанию плавившегося слоя в течение нескольких часов нахождения на воздухе,
в то время как сердцевина образца из исходного ферросилиция не распадается
(остается монолитной).
В микроструктуре плавившегося слоя ферросилиция встречаются участки гра-
фитной фазы (рис. 4, а; спектры 1 и 2) в виде округлых включений. На рис. 4, б-г
представлено распределение на поверхности образца углерода, кремния, железа,
полученное съемкой в рентгеновском излучении этих элементов C (Kа), �i (Kа), Fe
(Kа). Наряду с углеродом в составе графитных включений присутствуют кремний,
железо, алюминий, кальций, кислород (табл. 4). В небольшом количестве в микро-
структуре также обнаружены включения карбида кремния �iC (спектр 3). Наличие в
плавящемся слое небольшого количества �iC подтверждено также рентгенофазовым
анализом на установке ДРОН-3М.
На втором этапе исследовали распределение кремния в зоне контакта образ-
цов ферросилиция с чугуном. Для этого образцы ферросилиция в виде пластины и
таблица 3. Химический состав основных фаз и включений в
зоне плавления вблизи ферросилиция
Номер
спектра
Химический состав, %мас. / %ат.
Si Fe Al O S Ca Ti Cu
1
– – – – – –
2 – – – – – –
3
4 – –
5 –
99,52
99,76
55,35
71,14
0,48
0,24
44,65
28,86
60,08
69,50
28,98
16,86
52,48
68,33
46,75
30,61
0,72
0,85
97,48
98,49
2,11
1,07
2,74
3,00
0,62
0,38
1,99
1,47
0,93
0,86
2,57
3,09
3,20
6,50
1,20
1,21
2,44
1,93
0,45
0,31
1,09
0,56
1,80
3,32
1,91
3,79
0,39
0,38
0,48
0,38
60 мкм
Рис. 3. Микроструктура плавившегося слоя
вблизи его границы с ферросилицием
спектр 1
спектр 2
спектр 3
спектр 4
спектр 5
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011 № 5 (89) 15
Получение и обработка расплавов
ступенчатой пластины размещали для получения цилиндрических чугунных отливок
диаметром 55 мм в литейных формах. Формы заливали чугуном с температурой
1400-1420 0С. Из представленных на рис. 5 поперечного разреза отливки с пласти-
ной и продольного разреза отливки со ступенчатой пластиной из ферросилиция
следует, что угловые части обоих образцов в результате контакта с жидким чугу-
ном растворились. Ступенчатая пластина отклонилась от первоначального верти-
кального положения в литейной форме примерно на 300, что можно объяснить
Номер спектра
Химический состав, %мас. / %ат.
С Si O Fe Al Ca Cr
1
91,54
95,81
6,49
2,91
1,46
1,14
0,34
0,08
0,09
0,04
0,08
0,03
–
2
95,85
98,46
2,45
1,08
–
1,14
0,25
0,27
0,12
0,29
0,09
–
3
26,67
46,03
72,89
53,80
–
0,44
0,16
– – –
Суммарный
спектр
–
70,37
81,93
–
28,28
16,56
– –
0,22
0,14
таблица 4. Химический состав фаз, содержащих углерод, в микрострук-
туре плавящегося слоя ферросилиция
40 мкм C Ka 1_2
�i Ka1 Fe Ka1
a б
в г
Рис. 4. Микроструктура плавившегося слоя ферросилиция с углеродосодержащими вклю-
чениями (а); распределение С (б), �i (в), Fe (г) в составляющих микроструктуры
спектр 2
спектр 1
спектр 3
16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 5 (89)
Получение и обработка расплавов
действием архимедовой силы, обусловленной разностью плотностей расплава
чугуна (~6,8 г/см3) и ферросилиция (~3,0 г/см3), на образец, разогретый до тем-
пературы пластичного твердожидкого состояния. Значительную часть в объеме
остатков образцов ферросилиция занимают поры.
Результаты исследования рас-
пределения кремния вблизи границы
контакта чугуна с образцом ферро-
силиция, имевшего форму пластины,
представлены на рис. 6. Массовая доля
кремния в остатке ферросилиция вбли-
зи границы с чугуном составляет ~ 6 %,
а по мере удаления от границы возрас-
тает до 7-8 %. Концентрация кремния на
границе чугуна с ферросилицием – 4 %,
в приграничном слое чугуна постепенно
снижается и на расстоянии 1500 мкм
равна содержанию кремния в исходном
чугуне (~1,5 %).
На рис. 7 представлено распределе-
ние кремния возле границы контакта
чугуна со ступенью толщиной 5 мм
образца ферросилиция ступенчатой
формы. Массовая доля кремния в
исходном чугуне составляет 1,68 %,
на границе контакта – 17 %, в центре
нерастворившегося остатка ферро-
силиция – ~ 24 %, глубина зафикси-
рованной в отливке зоны диффузии
кремния из ферросилиция в чугун –
190 мкм. На расстоянии от границы
с ферросилицием 45; 85; 125; 190 мкм
массовое содержание кремния в чугу-
не составляет соответственно 6,27;
3,70; 2,36 и 1,68 %. Таким образом,
зафиксированная в затвердевшей отливке концентрация кремния в расплаве чугу-
на вблизи плавящегося ферросилиция в 3-10 раз превышает среднее содержание
кремния в чугуне. Очевидно, что концентрация кремния в зонах расплава вблизи
Рис. 5. Разрез чугунных отливок с остатками образцов ферросилиция, первона-
чально имевших форму пластины (а), и ступенчатой пластины (б)
ба
Рис. 6. Распределение кремния в зоне контакта
чугуна с ферросилицием (пластина толщиной
5 мм)
Чугун Остаток ферросилиция
Граница контакта
-2000 -1000 0 1000 2000
Расстояние, мкм
М
ас
со
ва
я
д
о
ля
�
i,
%
8
6
4
2
0
Рис. 7. Распределение кремния в зоне контакта
чугуна с ферросилицием (ступенчатая пластина,
толщина ступени 5 мм)
Чугун
200 0 100 300 500
Остаток ферросилиция
Граница контакта
25
15
5
0
20
10
М
ас
со
ва
я
д
о
ля
�
i,
%
Расстояние, мкм
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011 № 5 (89) 17
Получение и обработка расплавов
плавящихся частиц ферросилиция в результате модифицирования жидкого чугуна
может быть и более высокой.
Вследствие высокого содержания кремния в зоне чугуна, примыкающей к фер-
росилицию, образуется ферритная металлическая основа (рис. 8), в то время как
в исходном чугуне с содержанием 1,68 % �i – перлитоферритная металлическая
основа П85(Ф15), местами П92(Ф8). Остаток ферросилиция состоит преимуще-
ственно из соединения Fe
2
�i и практически представляет собой высококремнистый
чугун – ферросилид с твердостью 430-460 НВ [15]. Поэтому после модифицирования
нельзя допускать попадания остатков плавящихся частиц ферросилиция в металл
чугунных отливок, так как вследствие этого могут возникнуть большие проблемы
из-за резкого ухудшения обрабатываемости резанием, снижения герметичности
и конструкционной прочности тонкостенных деталей.
Различия в концентрации кремния в зонах контакта чугуна с образцами ферро-
силиция в виде пластины и ступенчатой пластины можно объяснить тем, что при
постоянной массе жидкого чугуна (~2,3 кг) процессы плавления и растворения фер-
росилиция в опыте с пластиной массой 10 г происходили существенно быстрее, чем
в опыте со ступенчатой пластиной массой 23 г. Поэтому, в частности, содержание
кремния в остатке ферросилиция в опытах с пластиной составляет 6-8 %, а в опыте
со ступенчатой пластиной – 22-24 %.
выводы
•Экспериментально установлено, что в плавящемся слое ферросилиция интен-
сивно протекают физико-химические процессы переноса железа в ферросилиций
и кремния в чугун. Наиболее быстро обменные процессы протекают в зоне вблизи
наружной поверхности плавящегося слоя. Обогащаясь железом, кремний ферро-
силиция переходит в лебоит (Fe�i
2
), а тот, в свою очередь, в Fe�i (ε). Далее, по мере
повышения концентрации железа, могут образовываться Fe
5
�i
3
(η), Fe
2
�i (α”) и Fe
3
�i
(α’). Указанные фазы ферросилиция плавятся в диапазоне 1200-1410 0С и их коли-
чественное соотношение в плавящемся слое определяет температуру и скорость
плавления.
Вблизи внутренней поверхности плавящийся слой состоит из двух основных фаз
– кремния и лебоита. В этой зоне наблюдается дробление кристаллов кремния и
округление их остатков. Соответственно увеличивается доля лебоита.
•Экспериментально зафиксированная концентрация кремния в затвердевшем
чугуне вблизи плавящегося ферросилиция в 3-10 раз превышает среднюю его кон-
центрацию в чугуне отливки.
а б в ?150
Рис. 8. Микроструктура вблизи границы контакта чугуна с ферросилицием (ступенчатая
пластина, толщина пластины 5 мм): а – чугун; б – зона чугуна, обогащенная кремнием; в –
остаток образца ферросилиция
а б в
18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2011. № 5 (89)
Получение и обработка расплавов
•Показано, что основной фазой в структуре остатков, плавившихся в жидком
чугуне частиц ферросилиция, является твердый раствор кремния в α-железе.
•Экспериментально установленное присутствие в плавящемся ферросилиции
отдельной фазы карбида кремния (�iC), имеющего требуемые кристаллографи-�iC), имеющего требуемые кристаллографи-), имеющего требуемые кристаллографи-
ческие характеристики для гетерогенного зарождения центров кристаллизации
графита, и образование в расплаве чугуна обогащенных кремнием микрообъемов, в
которых кремний вытесняет растворенный углерод, увеличивая его флуктуационную
активность, способствуют образованию дополнительных центров кристаллизации
графита и ускоренному их росту при затвердевании модифицированного чугуна.
1. Пирс Дж. Модифицирование чугунов. Практика и исследования // Металлургия машино-
строения. – 2008. – № 3. – С. 20-25.
2. Дынин А. Я. Компания НПП – 10 лет непрерывного роста! // Литейн. пр-во. – 2006. – № 5.
– С. 6-8.
3. Давыдов С. В. Новые технологии модифицирования чугунов // Металлургия машинострое-
ния. – 2010. – № 3. – С. 8-13.
4. Андреев В. В., Капустина Л. С. Роль активных элементов в повышении эффективности
графитизирующих модификаторов // Литейн. пр-во. – 2006. – № 4. – С. 18-20.
5. Сsonka J. M. Hickman and Оther. Ductile �ron Trends: Reducing Cost, �mproving Quality // Modern
Сasting. – 2002. – № 5. – p. 27-29.
6. Бубликов В. Б., Берчук Д. Н. Повышение степени модифицирования высокопрочного чугуна
// Металлургия машиностроения. – 2006. – № 5. – С. 31-35.
7. Теплофизика взаимодействия модификаторов с жидким чугуном / Н. И. Тарасевич, В. Б. Буб-
ликов, И. В. Корниец, В. В. Суменкова, Е. П. Нестерук // Процессы литья. – 2007. – № 6.
– С. 39-46.
8. Верховлюк А. М. Кинетические особенности растворения твердых материалов в расплавах
на основе железа // Там же. – 2004. – № 3. – С. 10-20.
9. Гасик М. И., Лякишев Н. П., Емлин Б. И. Теория и технология производства ферросплавов.
– М.: Металлургия, 1988. – 784 с.
10. Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. Диаграммы состояния двойных и многокомпо-
нентных систем на основе железа. – М.: Металлургия, 1986. – 231 с.
11. Барабаш О. П., Коваль Ю. Н. Структура и свойства металлов и сплавов. Кристалличе-
ская структура металлов и сплавов: Справочник. – Киев: Наук. думка, 1986. – 598 с.
12. Гасик Л. Н., Игнатьев В. С., Гасик М. И. Структура и качество промышленных ферросплавов
и лигатур. – Киев: Техніка, 1975. – 151 с.
13. Єременко А. П. Підвищення ефективності графітизуючого модифікування високоміцного
чавуну: Автореф. дис. . . . канд. техн. наук. – Київ, 1999. – 20 с.
14. Экспериментальное определение скорости растворения ферросилиция ФС75 в жидком
чугуне / В. Б. Бубликов, В. П. Латенко, Е. П. Нестерук, В. В. Суменкова // Процессы ли-
тья. – 2008. – № 6. – С. 27-31.
15. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н. Г. Гиршовича. – Л.: Машиностроение, 1978.
– 758 с.
Поступила 10.05.2011
|