blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2015-8-561-566blackmet-707Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВНУТРИФОРМЕННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИКАТОРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ И СВС МЕТОДАМИ, НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРОГО ЧУГУНА. СООБЩЕНИЕ 2INTRA-MOLD MODIFICATION OF CAST IRON. THE STUDY OF THE INFLUENCE OF MODIFIERS PRODUCED BY PLASMA CHEMICAL AND SHS METHODS ON SERVICE CHARACTERISTICS OF GREY CAST IRON. REPORT 2ПолубояровВ. А.PoluboyarovV. A.

д.х.н., профессор, ведущий научный сотрудник 

630128, Россия, г. Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18

Dr. Sci. (Chem.), Professor, Leading Researcher of the Laboratory of Synchrotron Radiation Methods

18, Kutateladze str., Novosibirsk, 630128, Russia

sanych@solid.nsc.ruКоротаеваЗ. А.KorotaevaZ. A.

к.х.н., научный сотрудник

630128, Россия, г. Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18

Cand. Sci. (Chem.), Researcher of the Laboratory of Synchrotron Radiation Methods

18, Kutateladze str., Novosibirsk, 630128, Russia

ЖданокА. А.ZhdanokA. A.

инженер

630128, Россия, г. Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18

Engineer of the Laboratory of Synchrotron Radiation Methods

18, Kutateladze str., Novosibirsk, 630128, Russia

КузнецовВ. А.KuznetsovV. A.

директор

630088, Россия, г. Новосибирск, ул. Петухова, 51

Director

51, Petukhova str., Novosibirsk, 630088 Russia

СамохинА. В.SamokhinA. V.

к.т.н., старший научный сотрудник

119991, г. Москва, Ленинский пр., 49

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

49, Leninskii ave., Moscow, 119991, Russia

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАНРоссияInstitute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ISSC)Russian FederationООО «Центролит-С»Россия“LLC “Tsentrolit-S”Russian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. БайковаРоссияInstitute of Metallurgy and Material Science named after Baikov A.A.,Russian Federation201504102015588561566Copyright © Полубояров В.А., Коротаева З.А., Жданок А.А., Кузнецов В.А., Самохин А.В., 20152015Полубояров В.А., Коротаева З.А., Жданок А.А., Кузнецов В.А., Самохин А.В.Poluboyarov V.A., Korotaeva Z.A., Zhdanok A.A., Kuznetsov V.A., Samokhin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/707

Аннотация. Исследовали влияние нанопорошков, полученных методами плазмохимическим и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), на служебные характеристики серого чугуна СЧ20 при внутриформенном модифицировании. Плазмохимическим методом получены модификаторы I в железной матрице состава (ά-Fe, TiCxNy , SiC) из природного сырья (титаномагнетита) взаимодействием порошка титаномагнетита с метаном в потоке водородно-азотной плазмы. Методом СВС, комбинированным с механохимическим методом, получены модификаторы состава II в пересчете на карбиды (70 ‒ 80 % WC ÷ 20 ‒ 30 % TiC) с металлом-протектором цирконием. Применение модификатора I в количестве 0,002 % увеличивает твердость по Бринеллю на 9,8 %, предел прочности в условиях растяжения на 11,9 %, относительную изностойкость на 21 %, коррозионную стойкость в соляной кислоте на 12,3 % по сравнению с контрольным (немодифицированным) образцом чугуна. Применение модификатора II в количестве 0,038 % увеличивает твердость по Бринеллю на 13,1 %, предел прочности в условиях растяжения на 19,8 %, относительную изностойкость на 69 %, коррозионную стойкость в соляной кислоте на 28 %.

Abstract. The studies are devoted to the infl uence of nanopowders produced by plasma chemical method and self-propagating hightemperature synthesis (SHS) on service characteristics of grey cast iron SCh20 at intra-mold modifi cation. Modifi ers (I) in iron matrix of the composition (ά-Fe, TiCxNy , SiC) from natural raw material (titano-magnetite) have been produced by plasma chemical method at the interaction of titano-magnetite powder and methane in the fl ow of hydrogen-nitrogen plasma. Modifi ers of the composition II on conversion to carbides (70 ‒ 80 % WC ÷ 20 ‒ 30 % TiC) with zirconium as metal-protector have been produced by SHS method combined with mechanochemical method. The usage of modifi er I in the amount of 0,002 % increases Brinell hardness by 9,8 %, ultimate tensile strength – by 11,9 %, relative wear resistance – by 21 %, corrosion resistance in hydro-chloric acid – by 12,3 % as compared with check (unmodifi ed) sample of cast iron. The usage of modifi er II in the amount of 0,038 % increases Brinell hardness by 13,1 %, ultimate tensile strength – by 19,8 %, relative wear resistance – by 69 %, corrosion resistance in hydrochloric acid – by 28 %.

внутриформенное модифицированиеизносостойкостькарбид титанакарбиды вольфрамакоррозионная стойкостьметалл-протектормеханохимический методплазмохимический методпредел прочностиСВСсерый чугунтвердостьтитаномагнетитцирконийintra-mold modifi cationwear resistancetitanium carbidetungsten carbidescorrosion resistancemetal-protectormechanochemical methodplasma chemical methodultimate strengthSHSgrey cast ironhardnesstitano-magnetitezirconiumРабота выполнена в рамках госконтракта № 16.513.11.3131 при участии Батаева А.А., Цветкова Ю.В., Алексеева Н.В., Степановой Н.В.The work was performed in the frames of State contract no. 16.513.11.3131 with the participation of Bataev A.A., Tsvetkov Yu.V., Alekseeva N.V., Stepanova N.V.ReferencesСабуров В.П., Черепанов А.Н., Жуков М.Ф. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. – 344 с. Saburov V.P., Cherepanov A.N., Zhukov M.F. Plazmokhimicheskii sintez ul’tradispersnykh poroshkov i ikh primenenie dlya modifi tsirovaniya metallov i splavov [Plasma chemical synthesis of ultra-disperse powders and their application for modifi cation of metals and alloys]. Novosibirsk: Nauka. Sibirskaya izdatel’skaya fi rma RAN, 1995. 344 p. (In Russ.).Сабуров В.П., Черепанов А.Н., Жуков М.Ф. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. – 344 с. Saburov V.P., Cherepanov A.N., Zhukov M.F. Plazmokhimicheskii sintez ul’tradispersnykh poroshkov i ikh primenenie dlya modifi tsirovaniya metallov i splavov [Plasma chemical synthesis of ultra-disperse powders and their application for modifi cation of metals and alloys]. Novosibirsk: Nauka. Sibirskaya izdatel’skaya fi rma RAN, 1995. 344 p. (In Russ.).Жуков М.Ф., Черский И.Н. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. – 312 с. Zhukov M.F., Cherskii I.N. Uprochnenie metallicheskikh, polimernykh i elastomernykh materialov ul’tradispersnymi poroshkami plazmokhimicheskogo sinteza [Strengthening of metal, polymer and elastomer materials with ultra-disperse powders of plasma chemical synthesis]. Novosibirsk: Nauka. Sibirskaya izdatel’skaya fi rma RAN, 1999. 312 p. (In Russ.).Жуков М.Ф., Черский И.Н. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. – 312 с. Zhukov M.F., Cherskii I.N. Uprochnenie metallicheskikh, polimernykh i elastomernykh materialov ul’tradispersnymi poroshkami plazmokhimicheskogo sinteza [Strengthening of metal, polymer and elastomer materials with ultra-disperse powders of plasma chemical synthesis]. Novosibirsk: Nauka. Sibirskaya izdatel’skaya fi rma RAN, 1999. 312 p. (In Russ.).Комшуков В.П., Фойгт Д.Б., Черепанов А.Н., Амелин А.В. Модифицирование непрерывнолитой стали нанопорошками тугоплавких соединений // Сталь. 2009. № 4. С. 65 ‒ 68. Komshukov V.P., Foigt D.B., Cherepanov A.N., Amelin A.V. Modifying continuous-cast steel with refractory nanopowder. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 4, pp. 363–365.Комшуков В.П., Фойгт Д.Б., Черепанов А.Н., Амелин А.В. Модифицирование непрерывнолитой стали нанопорошками тугоплавких соединений // Сталь. 2009. № 4. С. 65 ‒ 68. Komshukov V.P., Foigt D.B., Cherepanov A.N., Amelin A.V. Modifying continuous-cast steel with refractory nanopowder. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 4, pp. 363–365.Комушков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывной заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 8. С. 57 ‒ 64. Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V. Study of the infl uence of metal modifi cation with nano-powdered materials on the quality of profi led continuous billet. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no. 8, pp. 57‒64. (In Russ.).Комушков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывной заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 8. С. 57 ‒ 64. Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V. Study of the infl uence of metal modifi cation with nano-powdered materials on the quality of profi led continuous billet. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no. 8, pp. 57‒64. (In Russ.).Предтеченский М.Р., Черепанов А.Н., Тухто О.М., Коваль И.Ю., Алексеев А.В. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов // Литейщик России. 2010. № 3. С. 28, 29. Predtechenskii M.P., Cherepanov A.N., Tukhto O.M., Koval I.Yu., Alekseev A.V. Plasma chemical synthesis of nano-powders of refractory compounds and their application to modify structural steels and alloys. Liteishchik Rossii. 2010, no. 3, pp. 28‒29. (In Russ.).Предтеченский М.Р., Черепанов А.Н., Тухто О.М., Коваль И.Ю., Алексеев А.В. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов // Литейщик России. 2010. № 3. С. 28, 29. Predtechenskii M.P., Cherepanov A.N., Tukhto O.M., Koval I.Yu., Alekseev A.V. Plasma chemical synthesis of nano-powders of refractory compounds and their application to modify structural steels and alloys. Liteishchik Rossii. 2010, no. 3, pp. 28‒29. (In Russ.).Комушков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. Модифицирование металла нанопорошковыми инокуляторами в кристаллизаторе сортовой машины непрерывного литья заготовок. Механические и металлографические исследования // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 10. С. 21 – 24. Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V. Metal modifi cation with nano-powdered inoculators in the crystallizer of continuous casting machine. Mechanical and metallographic studies. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, no.10, pp. 21‒24. (In Russ.).Комушков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. Модифицирование металла нанопорошковыми инокуляторами в кристаллизаторе сортовой машины непрерывного литья заготовок. Механические и металлографические исследования // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 10. С. 21 – 24. Komshukov V.P., Cherepanov A.N., Protopopov E.V. Metal modifi cation with nano-powdered inoculators in the crystallizer of continuous casting machine. Mechanical and metallographic studies. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, no.10, pp. 21‒24. (In Russ.).Крушенко Г.Г., Черепанов А.Н., Полубояров В.А., Кузнецов В.А. Результаты опытно-промышленных исследований повышения свойств черных и цветных металлов с помощью тугоплавких нанопорошковых материалов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2003. № 4. С. 23 – 29. Krushenko G.G., Cherepanov A.N., Poluboyarov V.A., Kuznetsov V.A. The results of half-industrial studies for improving the properties of ferrous and non-ferrous metals with the help of refractory nanopowdered materials. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2003, no. 4, pp. 23‒29. (In Russ.).Крушенко Г.Г., Черепанов А.Н., Полубояров В.А., Кузнецов В.А. Результаты опытно-промышленных исследований повышения свойств черных и цветных металлов с помощью тугоплавких нанопорошковых материалов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2003. № 4. С. 23 – 29. Krushenko G.G., Cherepanov A.N., Poluboyarov V.A., Kuznetsov V.A. The results of half-industrial studies for improving the properties of ferrous and non-ferrous metals with the help of refractory nanopowdered materials. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2003, no. 4, pp. 23‒29. (In Russ.).Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования // Современная электрометаллургия. 2004. № 3. С. 15 – 17. Eremin E.N., Zherebtsov S.N. Centrifugal electroslag casting of fl ange billets with the use of inoculating modifi cation. Sovremennaya elektrometallurgiya. 2004, no. 3, pp. 15‒17. (In Russ.).Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования // Современная электрометаллургия. 2004. № 3. С. 15 – 17. Eremin E.N., Zherebtsov S.N. Centrifugal electroslag casting of fl ange billets with the use of inoculating modifi cation. Sovremennaya elektrometallurgiya. 2004, no. 3, pp. 15‒17. (In Russ.).Hossein Nedjad S., Farzaneh A. Formation of fi ne intragranular ferrite in cast plain carbon steel inoculated by titanium oxide nanopowder // Scripta Materialia. 2007. № 57. Р. 937 – 940.Hossein Nedjad S., Farzaneh A. Formation of fi ne intragranular ferrite in cast plain carbon steel inoculated by titanium oxide nanopowder // Scripta Materialia. 2007. № 57. Р. 937 – 940.Крушенко Г.Г., Ямских И.С., Бонченков А.А., Мишин А.С. Повышение качества чугунных отливок с помощью нанопорошков // Металлургия машиностроения. 2002. № 2(9). С. 20,21. Krushenko G.G., Yamskikh I.S., Bonchenkov A.A., Mishin A.S. Improvement of the quality of cast iron castings with the help of nanopowders. Metallurgiya mashinostroeniya. 2002, no. 2 (9), pp. 20–21. (In Russ.).Крушенко Г.Г., Ямских И.С., Бонченков А.А., Мишин А.С. Повышение качества чугунных отливок с помощью нанопорошков // Металлургия машиностроения. 2002. № 2(9). С. 20,21. Krushenko G.G., Yamskikh I.S., Bonchenkov A.A., Mishin A.S. Improvement of the quality of cast iron castings with the help of nanopowders. Metallurgiya mashinostroeniya. 2002, no. 2 (9), pp. 20–21. (In Russ.).Хрычиков В.Е., Калинин В.Т., Кривошеев В.А., Доценко Ю.В., Селиверстов В.Ю. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок // Литейное производство. 2007. № 7. С. 2 – 5. Khrychikov V.E., Kalinin V.T., Krivosheev V.A., Dotsenko Yu.V., Seliverstov V.Yu. Ultra-disperse modifi ers for increasing the quality of castings. Liteinoe proizvodstvo. 2007, no. 7, pp. 2‒5. (In Russ.).Хрычиков В.Е., Калинин В.Т., Кривошеев В.А., Доценко Ю.В., Селиверстов В.Ю. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок // Литейное производство. 2007. № 7. С. 2 – 5. Khrychikov V.E., Kalinin V.T., Krivosheev V.A., Dotsenko Yu.V., Seliverstov V.Yu. Ultra-disperse modifi ers for increasing the quality of castings. Liteinoe proizvodstvo. 2007, no. 7, pp. 2‒5. (In Russ.).Пинкин В.Ф., Каренгин А.Г., Осиненко С.А. Модифицирование высокохромистого чугуна ИСЦ ультрадисперсным порошком // Литейное производство. 1994. № 3. С. 7. Pinkin V.F., Karengin A.G., Osinenko S.A. Modifi cation of high-chromium cast iron with ultra-disperse powder. Liteinoe proizvodstvo. 1994, no. 3, p. 7. (In Russ.).Пинкин В.Ф., Каренгин А.Г., Осиненко С.А. Модифицирование высокохромистого чугуна ИСЦ ультрадисперсным порошком // Литейное производство. 1994. № 3. С. 7. Pinkin V.F., Karengin A.G., Osinenko S.A. Modifi cation of high-chromium cast iron with ultra-disperse powder. Liteinoe proizvodstvo. 1994, no. 3, p. 7. (In Russ.).Влас М.И., Калинин В.Т., Хрычиков В.Е., Кривошеев В.А., Меняйло Е.В., Кондрат А.А. Модифицирование износостойких чугунов ультра- и нанодисперсными материалами // Системные технологии. 2010. 1 (66). С. 150 – 162. Vlas M.I., Kalinin V.T., Khrychikov V.E., Krivosheev V.A., Menyailo T.V., Kondrat A.A. Modifi cation of wear-resistant cast iron with ultra- and nano-disperse materials. Sistemnye tekhnologii. 2010, no. 1 (66), pp. 150‒162. (In Russ.).Влас М.И., Калинин В.Т., Хрычиков В.Е., Кривошеев В.А., Меняйло Е.В., Кондрат А.А. Модифицирование износостойких чугунов ультра- и нанодисперсными материалами // Системные технологии. 2010. 1 (66). С. 150 – 162. Vlas M.I., Kalinin V.T., Khrychikov V.E., Krivosheev V.A., Menyailo T.V., Kondrat A.A. Modifi cation of wear-resistant cast iron with ultra- and nano-disperse materials. Sistemnye tekhnologii. 2010, no. 1 (66), pp. 150‒162. (In Russ.).Jian-wei Lia, Mei-ling Chenb, Hong Gaob, Ying-hua Zhaoc. Structures and Properties of Cast Irons Reinforced by Trace Addition of Modifi ed SiC Nanopowders // Сhinese journal of chemical physics. 2007. Vol. 20. Р. 625 – 631.Jian-wei Lia, Mei-ling Chenb, Hong Gaob, Ying-hua Zhaoc. Structures and Properties of Cast Irons Reinforced by Trace Addition of Modifi ed SiC Nanopowders // Сhinese journal of chemical physics. 2007. Vol. 20. Р. 625 – 631.Пат. 2508249 РФ. Способ получения нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС / Полубояров В.А., Мали В.И., Коротаева З.А., Жданок А.А., Паули И.А., Степанова Н.В.; опубл. 27.02.14. Бюл. № 6. Poluboyarov V.A., Mali V.I., Korotaeva Z.A., Zhdanok A.A., Pauli I.A., Stepanova N.V. Sposob polucheniya nanodispersnykh poroshkov karbidov vol’frama i titana metodom SVS [Method for production of nano-disperse powders of tungsten and titanium carbides by SHS method]. Patent RF no. 2508249. Byulleten’ izobretenii. 2014. no. 6. (In Russ.).Пат. 2508249 РФ. Способ получения нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС / Полубояров В.А., Мали В.И., Коротаева З.А., Жданок А.А., Паули И.А., Степанова Н.В.; опубл. 27.02.14. Бюл. № 6. Poluboyarov V.A., Mali V.I., Korotaeva Z.A., Zhdanok A.A., Pauli I.A., Stepanova N.V. Sposob polucheniya nanodispersnykh poroshkov karbidov vol’frama i titana metodom SVS [Method for production of nano-disperse powders of tungsten and titanium carbides by SHS method]. Patent RF no. 2508249. Byulleten’ izobretenii. 2014. no. 6. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.