Том 26 № 1 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Куц В.В., Олешицкий А.В., Гречухин А.Н., Григоров И.Ю. Исследование изменения геометрических параметров образцов, наплавленных методом GMAW при воздействии на электрическую дугу продольного магнитного поля....................................................................................................................................................................................... 6 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg................................ 22 Губин Д.С., Кисель А.Г. Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ................................................................................................................... 38 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Зворыгин А.С., Скиба В.Ю. Адаптация системы ЧПУ станка к условиям комбинированной обработки.................................................................................................................................................... 55 Носенко В.А., Багайсков Ю.С., Мироседи А.Е., Горбунов А.С. Эластичные хоны для полирования профилей зубьев термообработанных цилиндрических колес специального назначения.............................................................. 66 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В., Папко С.С., Рожнов Е.Е., Юлусов И.С. Синтез механизма привода ремиз............................................................................................................. 80 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Бахтегареев И.Д. Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль............................................................................................................................................................................ 99 Зорин И.А., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Коновалов С.В. Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния......................................................................... 113 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Взаимосвязь микроструктуры с ударной вязкостью металлов сварного шва трубных высокопрочных низколегированных сталей (обзор исследований).............................................................................................................................................. 129 Патил Н.Г., Сараф А.Р., Кулкарни А.П. Полуэмпирическое моделирование температуры резания и шероховатости поверхности при точении конструкционных материалов твердосплавным инструментом с покрытием TiAlN.......................................................................................................................................................................... 155 Савант Д., Булах Р., Джатти В., Чинчаникар С., Мишра А., Сефене Э.М. Исследование электроэрозионной обработки криогенно обработанных бериллиево-медных сплавов (BeCu)................................................................... 175 Карлина А.И., Кондратьев В.В., Сысоев И.А., Колосов А.Д., Константинова М.В., Гусева Е.А. Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов................................................................................................................................................................................. 194 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 212 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 223 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.03.2024. Выход в свет 15.03.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,0. Уч.-изд. л. 52,08. Изд. № 15. Заказ 84. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 1 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 1 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuts V.V., Oleshitsky A.V., Grechukhin A.N., Grigorov I.Y. Investigation of changes in geometrical parameters of GMAW surfaced specimens under the infl uence of longitudinal magnetic fi eld on electric arc....................................... 6 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Optimization of selective laser melting modes of powder composition of the AlSiMg system................................................................. 22 Gubin D.S., Kisel’ A.G. Features of calculating the cutting temperature during high-speed milling of aluminum alloys without the use of cutting fl uid............................................................................................................................................. 38 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Zvorygin A.S., Skeeba V.Y. Adaptation of the CNC system of the machine to the conditions of combined processing...................................................................................................................................... 55 Nosenko V.A., Bagaiskov Y.S., Mirocedi A.E., GorbunovA.S. Elastic hones for polishing tooth profi les of heat-treated spur wheels for special applications..................................................................................................................................... 66 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V., Papko S.S., Rozhnov E.E., Yulusov I.S. Synthesis of the heddle drive mechanism....................................................................................................... 80 MATERIAL SCIENCE Ragazin A.A., Aryshenskii V.Y., Konovalov S.V., Aryshenskii E.V., Bakhtegareev I.D. Study of the eff ect of hafnium and erbium content on the formation of microstructure in aluminium alloy 1590 cast into a copper chill mold............................................................................................................................................................................ 99 Zorin I.A., Aryshenskii E.V., Drits A.M., Konovalov S.V. Study of evolution of microstructure and mechanical properties in aluminum alloy 1570 with the addition of 0.5 % hafnium........................................................................... 113 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Relationship between microstructure and impact toughness of weld metals in pipe high-strength low-alloy steels (research review)..................... 129 Patil N.G., Saraf A.R., Kulkarni A.P Semi empirical modeling of cutting temperature and surface roughness in turning of engineering materials with TiAlN coated carbide tool................................................................................. 155 Sawant D., Bulakh R., Jatti V., Chinchanikar S., Mishra A., Sefene E.M. Investigation on the electrical discharge machining of cryogenic treated beryllium copper (BeCu) alloys........................................................................................ 175 Karlina A.I., Kondratiev V.V., Sysoev I.A., Kolosov A.D., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Study of the eff ect of a combined modifi er from silicon production waste on the properties of gray cast iron................................................. 194 EDITORIALMATERIALS 212 FOUNDERS MATERIALS 223 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 194 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов Антонина Карлина 1, a, *, Виктор Кондратьев 2, b, Иван Сысоев 3, c, Александр Колосов 4, d, Марина Константинова 3, e, Елена Гусева 3, f 1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия 2 Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Фаворского, стр. 1А, г. Иркутск, 664033, Россия 3 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия 4 АО «ЕвроCибЭнерго», ул. Рабочая, д. 22, г. Иркутск, 664007, Россия a https://orcid.org/0000-0003-3287-3298, karlinat@mail.com; b https://orcid.org/0000-0002-7437-2291, imz@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-8561-5383, iwansys@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0002-2330-1813, akolosov.irk@gmail.com; e https://orcid.org/0000-0002-8533-0214, mavikonst@mail.ru; f https://orcid.org/0000-0002-8719-7728, el.guseva@rambler.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 1 с. 194–211 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-194-211 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.7.044 История статьи: Поступила: 12 декабря 2023 Рецензирование: 10 января 2024 Принята к печати: 22 января 2024 Доступно онлайн: 15 марта 2024 Ключевые слова: Модификаторы Серый чугун Наноструктуры Диоксид кремния Морфология Оксиды Кристаллизация Пластинчатый Уплотненный Вермикулярный графит АННОТАЦИЯ Введение. При металлургическом производстве кремния образуются отходы, которые скапливаются в отвалах, нанося вред окружающей среде. Утилизация и переработка твердых отходов кремниевого производства особенно важны, так как они содержат особые химические соединения (диоксид кремния, карбид кремния, углеродные нанотрубки), которые возможно использовать в других отраслях промышленности, что принесет большую экономическую ценность. Учитывая возможности по извлечению этих полезных компонентов из отходов кремниевого производства, необходимо довести технологии их переработки до стадии широкого практического применения. Поэтому разработка специальной технологии переработки отходов с получением полезного продукта в виде композиции диоксида и карбида кремния остается актуальной проблемой. Цель работы: исследование формирования морфологической формы графита при введении наномодификаторов из отходов кремниевого производства. В работе исследованы образцы серого чугуна после модифицирования комбинированным модификатором, полученным из отходов кремниевого производства. Методами исследования являются механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Выявлено повышение механических свойств серого чугуна на 30–50 % после модифицирования комбинированным модификатором по сравнению с образцами-свидетелями. Морфология графита – важный параметр, влияющий на свойства чугуна. Установлено, что в процессе модифицирования изменяется морфология графита с пластинчатой на вермикулярную. Образцы серого чугуна с вермикулярной формой графита имеют высокие значения прочности по сравнению с образцами из серого чугуна с пластинчатой формой графита. Представленные результаты подтверждают перспективность развиваемого подхода, направленного на получение новых классов модификаторов и изделий из серого чугуна с высоким комплексом механических свойств. Для цитирования: Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов / А.И. Карлина, В.В. Кондратьев, И.А. Сысоев, А.Д. Колосов, М.В. Константинова, Е.А. Гусева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 194–211. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-194-211. ______ *Адрес для переписки Карлина Антонина Игоревна, к.т.н., научный сотрудник Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, 129337, г. Москва, Россия Тел.: +7 950 120-19-50, e-mail: karlinat@mail.ru Введение Большое количество отходов образуется во время работы металлургических заводов по всему миру. Как правило, эти твердые отходы частично перерабатываются, однако значительное их количество остается, нанося ущерб окружающей среде. Во всех технологических процессах изготовления металлического кремния происходят потери материала разной степени и качества. В России на заводах по производству кремния в отвалах осталось значительное количество не переработанных металлургических шлаков [1, 2]. Для хранения этих твердых отходов требуются многие квадратные километры земли.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 195 MATERIAL SCIENCE Отходы собираются в виде влажных или сухих порошков [1–7]. По оценкам [1, 2, 6, 7] при производстве металлического кремния ежегодно образуется более 100 000 тонн отходов [7]. Несмотря на значительные усилия по снижению их вредного воздействия на окружающую среду, не существует возможности предотвратить загрязнение почвы и подземных вод. В настоящее время в РФ проводятся работы по использованию промышленных отходов в качестве модифицирующих добавок в различных отраслях, например в строительстве [4–6] и металлургии [1, 2, 7]. Модификация является одной из наиболее важных металлургических обработок, применяемых к расплавленному чугуну непосредственно перед отливкой, чтобы способствовать его затвердеванию без чрезмерного эвтектического переохлаждения, которое приводит к образованию карбидов обычно с нежелательной морфологией графита. Серый чугун (пластинчатый графит) продолжает оставаться наиболее производимым металлическим материалом в мировой литейной промышленности, несмотря на то что темпы его производства снизились из-за его замены более производительными ковкими чугунами или сплавами на основе алюминия с уменьшенным весом. Хорошо известно [8–21], что на кристаллизацию графита существенное влияние оказывает наличие расплавленных примесей в расплаве, в котором он растет, даже когда количество этих второстепенных элементов менее 0,1 %. Они могут оказывать положительное влияние, способствуя зародышеобразованию и сфероидизации, или отрицательное, вызывая перерождение графита. Основным источником этих элементов являются шихтовые материалы, такие как стальной лом, чугун и возврат чугуна. Трехстадийная модель зарождения пластинчатого графита в серых чугунах была предложена в 2000 году с образованием оксида-сульфида-графита [8–14]. Большая серия исследовательских программ определила следующую модель [8–21]: 1) в расплаве образуются небольшие оксидные участки (0,1–3 мкм, обычно менее 2 мкм); 2) на этих микровключениях зарождаются сложные соединения (Mn,X)S (от 1 до 10 мкм, обычно менее 5 мкм), где X = Ca, Ba, Sr, Zr, Mg, P, Ti, La, Ce и др.; 3) графит зарождается на сторонах соединений (Mn,X)S из-за низкого кристаллографического несоответствия графиту [8, 9]. Роль сложных сульфидов (Mn,X)S в образовании графита в серых чугунах подтверждается и другими представительными исследовательскими работами [10–15]. Недавно [16, 17] было обнаружено, что кислород в основном присутствует в первом микросоединении, которое видно как ядро частицы (Mn,X)S и во всяком случае также на границе раздела сульфид-графит, сформированном в тонкий (наноразмерный) слой и включающем в себя O, Si, Al, Ca, Ba, Sr, La и Mg. Предполагается, что наличие этого слоя на основе оксида увеличивает способность соединений (Mn,X)S образовывать зародыши графита из-за их лучшей кристаллографической совместимости: это иллюстрируется использованием гексагональной системы по сравнению с кубической системой для сульфида и низким несоответствием, выявленным для грани (0001) графита. Чем меньше несоответствие двух веществ (δ), тем сильнее потенциал зародышеобразования между ними: наибольшая способность к зародышеобразованию достигается при δ < 6 % (LaS, CeS, SrMnS), средняя способность к зародышеобразованию – при δ от 6 до 12 % (BaS, CaS), а слабая зародышеобразующая способность обнаруживается при δ > 12 % (MnS, MgS) [18, 19]. Результаты исследований морфологических особенностей графита приводят к корректировке национальных стандартов [22–25]. В работах [1, 2, 7] показана возможность использования отходов кремниевого производства в качестве модификаторов при производстве чугуна. Были разработаны два модификатора [7], полученные после флотационной переработки отходов в виде диоксида кремния и нанотрубок [1, 7]. Использование модификаторов, полученных из отходов кремниевого производства, не только улучшает механические свойства серого чугуна, но и влияет на морфологию графита [26– 34]. Морфология графита – очень важный параметр, влияющий на свойства чугуна. Морфология графита при комнатной температуре в литых сплавах Fe-C-Si в основном является результатом зарождения из жидкого расплава и роста кристаллов графита с последующим диффузионным ростом углерода в твердом состоянии. Химическая сложность расплавов железа и временный
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 196 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ характер зародышеобразования и локальной сегрегации, обусловленный химическим составом сплава, обработкой расплава и условиями литья, являются основными определяющими факторами. Взаимодействие между этими переменными может привести к появлению большого разнообразия форм графита, включая пластинчатую/ чешуйчатую (LG), уплотненную/вермикулярную (CG), сфероидальную/узловатую (SG) и другие формы графита (TG) [9, 10, 14, 15, 26–29], а также некоторые вырожденные морфологии, такие как остроконечный, взорванный или массивный графит (CHG). Несмотря на то что чугун с шаровидным графитом был открыт в конце 1930-х годов [8–12], механизм изменения формы графита остается невыясненным [8–21, 26–30]. Чугун с уплотненным графитом (CG) – это новый инженерный материал, содержащий графит червеобразной (вермикулярной) формы с закругленными краями в феррито-перлитной матрице. В иностранной литературе встречаются названия «уплотненный», «вермикулярный», «червеобразый» [22, 23, 25]. В отечественной литературе используется термин «вермикулярный» [24]. Промежуточная морфология графита (CG) обеспечила выгодное сочетание механических свойств ковкого чугуна и физических свойств серого чугуна. Цель настоящей работы: выявление формирования морфологической формы графита при введении комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства. Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи: 1) провести исследования по оценке модифицирующего влияния комбинированного модификатора, полученного из отходов кремниевого производства, при выплавке серых чугунов; 2) определить влияние комбинированного модификатора на зарождение вермикулярного графита; 3) провести анализ эффектов сжатия/расширения в процессе кристаллизации чугуна при применении комбинированного модификатора. Методика эксперимента Экспериментальный чугун (типа СЧ15) выплавляли в электроиндукционной печи (15 кг, 8000 Гц) с использованием чугунного лома, FeSi и углеродистого материала. Нагретый до 1500 °С и выдержанный в печи 5 мин расплав выпускали в разливочный ковш при температуре 1480 °С и заливали в песчаную форму из фурановой смолы при температуре 1470 °С. Были изготовлены цилиндрические прутки диаметром 30 мм и высотой 100 мм. На дно полости формы добавляли комбинированный модификатор на основе диоксида и карбида кремния (добавка от 0,5 до 1,5 масс.%, размер зерна менее 1,0 мм). Исследования включали в себя определение химического состава чугуна, определение твердости образцов по методу Бринелля, испытание образцов на растяжение, исследование макро- и микроструктуры серого чугуна. Комбинированный модификатор получали из отходов пыли циклонов путем флотационной обработки [1, 7, 32, 33]. Внешний вид модификатора показан на рис. 1, а состав кристаллической фазы – в табл. 1 и на рис. 2. Компактирование модификатора осуществляли из полученных механических смесей либо таблетированием с использованием пресса, либо получали продукт, глобулированный вручную с использованием парафина. При анализе фактора формы выпуклости первоначально определяется разница между реальным и выпуклым периметром частиц графита и затем полученное значение делится на отношение квадратного корня из выпуклого периметра к реальному периметру измеряемой частицы. Коэффициент формы округлости обычно используется для определения различных морфологий графита в чугуне, от пластинчатого до вермикулярного и шаровидного графита, включая различные подклассы для каждого типа графита. Коэффициент формы округлости графита (RSF) считается (согласно международному стандарту ISO 945-4:2019) характеристикой репрезентативной морфологии графита в чугунах. Международный стандарт ISO 16112:2017 «Чугун с уплотненным (вермикулярным) графитом. Классификация» [25] определяет некоторые морфологии графита, которые могут присутствовать в этом типе чугуна. В данном стандарте с помощью RSF шаровидный графит (ISO форма VI) определялся с использованием RSF = 0,625–1,0, с промежуточными формами графита (ISO формы IV и V) с RSF = 0,525–0,625 и вермикулярным графитом (ISO форма III) с RSF < 0,525. В нашем случае коэффициент формы округлости графита (RSF) находился в диапазоне 0,425–0,519.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 197 MATERIAL SCIENCE а б Рис. 1. Внешний вид комбинированного модификатора, выделенного из отходов кремниевого производства (а); электронное фото структуры (б) Fig. 1. The appearance of the combined modifi er: formed out of silicon production waste (а); electronic photography of the structure (б) Рис. 2. Дифрактограмма комбинированного модификатора Fig. 2. Diff raction pattern of the combined modifi er Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав кристаллической фазы комбинированного модификатора по результатам XRD The composition of the crystal phase of the combined modifi er according to XRD results № Фаза / Phase Содержание, % / Content, % 1 SiO2 (кварц) 50 2 SiC (муассанит) 35 3 SiO2 (кристобалит) 10 4 C (графит) 5
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 198 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Результаты и их обсуждение Химический состав образцов-свидетелей серого чугуна и образцов с модификацией представлен в табл. 2. Видно, что использование модификатора не вносит существенного изменения в химический состав серого чугуна, за исключением небольшого увеличения кремния на 0,1 %. Известно, что для серого чугуна основными показателями механических свойств являются минимальное значение временного сопротивления разрыву и твердость. В табл. 3 представлены результаты механических испытаний чугунасвидетеля и образцов после модифицирования. Видно, что при одном и том же химическом составе использование модификатора повышает механические свойства отливки. Исследование макро- и микроструктуры серого чугуна проводили по ГОСТ 3443–87 с использованием оптической и электронной микроскопии, что позволило выявить особенность влияния модификаторов. На рис. 3, 4 приведены результаты оптической и электронной микроскопии. Обычно эвтектическая единица затвердевания представлена аустенитом и графитом пластинчатой формы (рис. 3). Во всех случаях наблюдается преимущественно пластинчатая структура графита типа Гф1 согласно ГОСТ 3443–87. Практика литейного производства может влиять на зарождение и рост графитовых пластинок, так что размер и тип улучшают механические свойства. Количество и размер графита, морфология и распределение графитовых пластинок имеют решающее значение для определения механического поведения [26–34]. Пластинчатый графит типа Гф1 в наших исследованиях имеет случайную ориентацию. Как показано на рис. 2, б, морфологию вермикулярного графита типа Гф5 наблюдали с помощью оптической и электронной микроскопии. Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав чугуна экспериментальных плавок 1 и 2 (масс.%) Chemical composition of cast iron of experimental smelters No. 1 and 2 (wt%) Элемент / Element Углерод / Carbon Кремний / Silicon Марганец / Manganese Фосфор / Phosphorus Сера / Sulfur Хром / Chrome Никель / Nickel Плавка без модификатора 3,55 2,10 0,6 0,086 0,052 0,05 0,06 Плавка с модификатором 3,49 2,51 0,5 0,098 0,055 0,01 0,06 Чугун марки СЧ15 (ГОСТ 1412–85) 3,5–3,7 2,0–2,4 0,5–0,8 ≤ 0,2 ≤ 0,15 – – Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Результаты испытаний комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства Test results of a combined modifi er from silicon production waste Образец / Sample Расход модификатора, масс.% / Modifi er consumption, wt% Твердость, НВ / Hardness, HB σB, МПа / σB, MPa Соответствие чугуну марки / Compliance with cast iron grade Исходный – 195, 201, 193 139, 143, 147 СЧ10, СЧ15 № 1 0,5 196. 200, 198 155, 151, 149 СЧ10, СЧ15 № 2 1 205, 208, 209 165, 174, 177 СЧ20 № 4 1,5 255, 260, 258 305, 310, 312 СЧ30
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1