Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014, № 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2014 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 254 с.
 
Рассматриваются научно-технические проблемы теорий и технологий в металлургии и металлообработке, управления, вычислительной техники и информационных технологий, технологий и оборудования обработки металлов давлением, электро- и нанотехнологий, горного дела, 
машиностроения и машиноведения, технологий и оборудования обработки 
металлов резанием, энергетики,  электроснабжения, электроприводов. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, А.А. СЫЧУГОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.А. Сычугов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора),  
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь),  
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс,  
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2014 
© Издательство ТулГУ, 2014 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 1 
 

 
6

Мельниченко Николай Васильевич, канд. техн. наук, доц., (4872)372575, Россия, 
Тула, Тульский государственный университет 
 
STRUKTURE FORMATION IN THE FRIKTION LAYER UNDER IMPULSE LOADS 
 
N.V. Melnichenko 
 
Structure Formation in the surface layer under impulse cohesion between the surfaces of friction in high contrast loads has been investigated. 
Key words: sliding friction, tribological structure, friction welding. 
 
Melnichenko Nikolaj Vasilevich, candidate of technical science, docent, 
(4872)372575, Russia, Tula, Tula State University 

УДК 669.131.6 
 
МЕХАНИЗМ И РАЗНОВИДНОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ 
ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА 
 
Р.Н. Зенкин 
 
Рассмотрены основные разновидности повышения прочностных и эксплуатационных характеристик металлоизделий связанных с глубоким и эффективным воздействием на структуру кристаллизующегося металла путем внепечной обработки 
расплава микролигирующими и модифицирующими присадками. 
Ключевые слова: микролегирование, модифицирование, реакционная камера, 
высокопрочный чугун, шаровидный графит.  
 
Механизм воздействия элементов на свойства высокопрочного чугуна при микролегировании и модифицировании различен. Микролегирование, изменяя химический и фазовый составы чугунов, имеет длительный 
и устойчивый характер воздействия легирующих элементов. В отличие от 
микролегирования модифицирование связано не только с изменением 
структуры и свойств металлической основы, но прежде всего с трансформацией неметаллических включений. Слово «модификатор» означает изменение формы (от латинского modifico). 
При модифицировании система расплав-модификатор переводится 
в неустойчивое неравновесное состояние. Важная особенность модифици

Теории и технологии в металлургии и металлообработке 
 

 
7

рования это затухание модифицирующего эффекта и стремление системы 
вернуться в исходное состояние. Это обусловлено интенсивным взаимодействием активных элементов модификатора с примесями жидкого чугуна и окислением кислородом воздуха. В связи с этим для получения максимального эффекта модификатор следует вводить в расплав непосредственно перед разливкой или в процессе разливки. 
Другая особенность модифицирования заключается в том, что концентрация элемента-модификатора должна находиться в определенных довольно узких пределах. Недостаточное его содержание не обеспечивает 
требуемого изменения структуры и свойств металла, и, наоборот, избыточное содержание элемента может привести к ухудшению структуры и 
свойств металла, т. е. существуют понятия «недомодифицирование» и «перемодифицирование». При микролегировании таких резких изменений 
свойств обрабатываемого металла не происходит. Таким образом, модифицирование это  процесс обработки металлического расплава химически 
активными элементами с переводом всей системы, включающей в себя 
расплав, остаточные концентрации элементов и продукты их взаимодействия с примесями, в неустойчивое неравновесное состояние. 
Рассматриваются, по крайней мере, три механизма воздействия модификатора на металл. Согласно первому из них, при модифицировании 
увеличивается количество в расплаве тугоплавких неметаллических включений, которые могут быть центрами кристаллизации. Если эти включения 
находятся в физическом, химическом и структурном соответствии с основным металлом, они оказывают инокулирующее действие. Например, 
инокулирующая способность различных соединений увеличивается в ряду: 
оксиды, сульфиды, бориды, нитриды, карбиды, интерметаллиды [1]. 
Второй механизм модифицирования связан с адсорбцией элементамодификатора на поверхности раздела фаз кристалл — расплав, вследствие чего происходит замедление скорости роста кристаллов. Это так называемый адсорбционный механизм модифицирования, обусловленный высокой поверхностной активностью модификатора. 
Наконец, согласно третьему механизму, модифицирование связывают с предельной растворимостью модификатора в железе [2]. При этом 
чем меньше растворимость элемента в железе, тем при меньшей его концентрации может проявиться модифицирующий эффект. Растворимость 
магния и щелочноземельных металлов в жидком железе уменьшается от 
магния к барию. В такой же последовательности увеличивается поверхностное натяжение железоуглеродистых расплавов после введения магния 
(1665), кальция (1730) и бария (1800 мДж/м²) [3]. Термодинамическими 
расчетами показано, что из всех щелочноземельных металлов обработка 
жидкого железа наиболее целесообразна барием [4]. 
Эффективный модификатор, действующий по адсорбционному механизму, должен отвечать следующим требованиям [5]: 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 1 
 

 
8

иметь низкую растворимость в твердом металле и ограниченную в 
жидком; 
быть донором свободных электронов для жидкого металла, т. е. 
иметь низкий потенциал ионизации; 
располагаться по границам кристаллов и кластеров, но не входить в 
их состав. 
Растворимость иттрия, лантана и церия в твердом железе составляет 
соответственно менее 0,34; 0,02...0,15 и 0,35...0,67 мас. %. Магний и ЩЗМ 
в твердом железе не растворяются. В жидком железе растворимость Mg, 
Са, Sr и Ва при температуре 1600°С составляет соответственно 0,9842; 
0,0562; 0,0028 и 0,0003 %. 
Шаровидная форма графита в чугуне может быть получена при модифицировании его небольшими присадками Мg, Сa, Y, Се и другими 
РЗМ. Однако наиболее эффективный сфероидизирующий элемент - магний, так как только он обеспечивает наиболее правильную форму шаровидных включений графита в чугуне различного состава и, кроме того, 
полная сфероидизация графита в чугуне происходит уже при 0,03% Мg, 
тогда как при использовании других сфероидизирующих элементов их содержание в чугуне должно быть в ~ 2 раза больше. Поэтому магний это 
основной компонент в модификаторах для получения ЧШГ, остальные 
сфероидизирующие элементы используют, как правило, совместно с магнием и в определенных условиях существенно повышают качество получаемого чугуна. 
Важнейшие физические свойства магния, вводимого в жидкий чугун, температура его плавления Тпл = 650°С (зависит от чистоты магния), 
кипения Гк = 1107°С и упругость пара. Низкая температура парообразования магния - основное препятствие для создания технологичного и безопасного процесса его ввода в жидкий чугун. 
С повышением температуры давление насыщенного пара чистого 
магния резко возрастает. Если при 1200°С оно составляет 2 атм., то при 
1400°С уже 8 атм. Следовательно, при давлении 2 атм. магний будет находиться в жидком состоянии до 1200°С, а при 8 атм. до 1400°С, что чрезвычайно важно для выбора способа ввода магния в жидкий чугун - в автоклаве под специально создаваемом давлением или в герметизированных ковшах под самодавлением, развиваемым парами магния. 
С момента появления ЧШГ в 1948 г. разработано много способов 
модифицирования жидкого чугуна, однако все они могут быть классифицированы по виду применяемого модификатора и по методу ввода модификатора в жидкий чугун. 
По виду применяемых модификаторов способы можно разделить на 
два вида модифицирования: 
1. Чистым магнием; 
2. Mg-содержащими композициями. 

Теории и технологии в металлургии и металлообработке 
 

 
9

По методу ввода модификатора в жидкий чугун способы можно 
разделить на три вида модифицирования: 
1. С помощью специального оборудования; 
2. В обычных разливочных ковшах или непосредственно в плавильной печи; 
3. Внутриформенное. 
Модифицирование чистым магнием осуществляется только с помощью специального оборудования, Mg-содержащими композициями, как 
правило, в разливочных ковшах или непосредственно в форме. Рассмотрим 
наиболее распространенные способы получения ЧШГ. 
Модифицирование чугуна с помощью колокола. При использовании для модифицирования чистого магния необходимо обеспечить глубинный ввод его в расплав, то есть принудительное и достаточно глубокое 
погружение легкого магния (плотность 1,74 т/м³) в жидкий чугун, и безопасность в работе, то есть изоляцию работающих от действия сгорающих 
паров магния и выбросов металла. Эту задачу, на первых порах, решали с 
помощью колокола — стальной коробки круглого или прямоугольного сечения, укрепленной на штанге, с помощью которой колокол погружали в 
жидкий чугун. 
Конструкция колокола, важный фактор успешного проведения операции по введению магния в чугун, определяет продолжительность реакции взаимодействия магния с чугуном, а также степень его усвоения. 
Главное в конструкции колокола — его суммарная площадь, диаметр отверстий в боковых стенках и толщина последних. Недостаточная толщина 
стенок приводит к преждевременному расплавлению колокола, всплыванию магния и сгоранию его на поверхности без усвоения жидким чугуном. 
При чрезмерно большой толщине стенок в отверстиях колокола образуются настылы, в результате чего реакция магния с чугуном может не произойти. Из-за большой площади отверстий в стенках колокола чрезмерно 
ускоряется испарение магния, и он недостаточно усваивается жидким чугуном, при слишком малой значительно увеличивается продолжительность 
процесса, что может привести к захолаживанию металла. Таким образом, 
количеством и размером отверстий в боковой поверхности колокола пытались регулировать процесс обработки чугуна чистым магнием. 
В производственных условиях ввести магний с помощью колокола 
можно одним из трех способов: 
в специальных камерах, в которых механизм управления погружением и подъема колокола вынесен за ее пределы; 
в копильнике вагранки; 
с помощью простых защитных устройств, например, крышки, закрывающей ковш при погружении колокола. 
К недостаткам способа ввода магния с помощью колокола следует 
отнести, в первую очередь, весьма низкую степень усвоения магния (рас

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 1 
 

 
10

ход чистого магния составляет 0,3...0,7% от массы модифицируемого чугуна в зависимости от температуры чугуна и вместимости ковша), а также 
большой расход колоколов, так как колокол используется только 1 раз. 
Правда, последнее можно устранить, используя колокола из огнеупорного 
материала или с огнеупорным покрытием, для чего необходимо новое решение регулирования процесса взаимодействия магния с чугуном. 
Модифицирование чугуна в герметизированных ковшах. Магний 
для модифицирования в таких ковшах закладывают в специальную реакционную камеру (РК) через отверстие, герметично закрываемое крышкой. 
С полостью ковша РК соединяется калиброванным отверстием. Расположение РК таково, что при заполнении ковша металлом из печи, последний 
в нее не попадает, так как РК с магнием находится над металлом. После 
закрытия крышки ковша и поворота его на 90° РК с магнием оказывается 
ниже уровня металла, и он попадает в РК через калиброванное отверстие, 
расплавляя и испаряя магний, пары которого через то же отверстие пробулькивают в ковш, взаимодействуя с элементами чугуна. 
Скорость реакции зависит от размеров калиброванного отверстия, 
соединяющего РК с ковшовым пространством, и регулируется ими. Отсюда появляются технологические сложности в регулировании стабильности 
процесса, так как сохранение размеров калиброванного отверстия зависит 
от качества огнеупорных материалов и температурного режима процесса. 
На практике это создает большие трудности. 
Разработчиком герметизированных ковшей, ФГУП "ЦНИИТмаш", 
спроектировано и изготовлено два типа ковшей различной вместимости: 
барабанные и конверторные. Как показала практика, наиболее технологичными оказались ковши конверторного типа, однако и они не нашли широкого применения из-за большой трудоемкости обслуживания и необходимости поддержания высокой температуры исходного чугуна, что практически исключает возможность использования ваграночного чугуна. Кроме 
того, степень использования магния, хотя и выше, чем при модифицировании с помощью колокола, однако остается достаточно низкой и, как правило, < 60%. Зато в экологическом плане модифицирование чугуна магнием в герметизированных ковшах это наиболее совершенный способ, так 
как ковш остается закрытым до завершения процесса обработки чугуна 
магнием, следовательно, пироэффекта и сопутствующего ему образования 
дыма не наблюдают. 
Такой же принцип модифицирования используется и в ковшах G. 
Ficher, прототипом которых фактически являются ковши ЦНИИТмаша. 
Ковши G. Ficher отличаются формой и расположением РК, отсутствием 
герметичной крышки ковша. Отсутствие герметичной крышки упростило 
механизмы ковша, однако заставило создать мощные вентиляционные и 
очистные устройства, что в сотни раз увеличило стоимость установки G. 
Ficher в сравнении с герметизированными ковшами ЦНИИТмаша.