Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы формирования структуры в конструкционных чугунах 16
1.1. Серые чугуны с пластинчатой формой графита (СЧПГ) 16
1.1.1. Механизмы зарождения и роста пластинчатого графита 16
1.1.2. Влияния химического состава чугуна на зарождение и рост пластинчатого графита, технологические методы управления формированием оптимальной структуры СЧПГ 17
1.1.3. Микролегирование как метод управления свойствами СЧПГ через изменение их структурного состояния 28
1.2. Высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита (ВЧШГ) 49
1.2.1. Факторы, определяющие зарождение и рост шаровидной формы графита 49
1.2.2. Технологические методы управления формированием шаровидной формы графита в чугуне 55
1.2.3. Микролегирование как метод управления свойствами ВЧШГ через изменение их структурного состояния 76
1.3. Модифицирование и микролегирование чугунов с вермикулярной формой графита (ЧВГ) 84
1.4. Постановка задач исследования 95
2. Применяемое экспериментальное и аналитическое оборудование, методическое обеспечение и опытные образцы 98
3. Разработка новых технологий ковшевого модифицирования чугуна с компактными формами графита (ВЧШГ и ЧВГ) с заданными структурой и комплексом свойств 103
3.1. Структурообразование в ВЧШГ, обработанном «тяжёлыми» лигатурами на никелевой и медной основах 108
3.2. Совершенствование и оптимизация технологий получения ВЧШГ и ЧВГ с использованием «лёгких» лигатур 124
3.2.1. Оптимизация технологии получения ВЧШГ в мелкосерийном производстве 124
3.2.2. Разработка промышленных технологий получения ВЧШГ и ЧВГ с оптимальной структурой 136
3.3. Выводы 153
4. Влияние технологии внутриформенного модифицирования ВЧШГ и ЧВГ на получение стабильного структурного состояния 156
4.1. Исследование влияния лантана в магниевом модификаторе на формирование шаровидного графита заданной морфологии 156
4.2. Подбор оптимального соотношения магния и РЗМ для получения отливок из ЧВГ со стабилизированной структурой матрицы 165
4.3. Разработка технологической схемы получения ЧВГ безмагниевым модификатором с РЗМ 174
4.4. Выводы 181
5. Получение требуемых механических свойств ВЧШГ управлением процессами структурообразования с применением новых технологий графитизирующего модифицирования 184
5.1. Использование классических модификаторов на основе ферросилиция для графитизирующего модифицирования ВЧШГ 184
5.2. Использование комплексных смесевых модификаторов нового поколения для графитизирующего модифицирования ВЧШГ 196
5.3. Вторичное графитизирующее модифицирование как метод стабилизации процессов кристаллизации при нарушении технологии выплавки ВЧШГ и его последующей обработки 204
5.4 Выводы 221
6. Структурообразование в СЧПГ при графитизирующем модифицировании с учётом конструкционных особенностей отливки и её химического состава 224
6.1. Влияние габаритов отливки на формирование оптимальной структуры СЧПГ 224
6.2. Влияние содержания серы в чугуне на формирование оптимальной структуры СЧПГ 232
6.3. Использование встречного модифицирования и комплексных смесевых модификаторов нового поколения для стабилизации процессов кристаллизации СЧПГ 235
6.4. Выводы 247
7. Методы получения заданного структурного состояния в тяжёлонагруженных деталях из СЧПГ за счёт микролегирования 249
7.1. Исследование влияния микрободавок серы на структуру и свойства СЧПГ для тормозных дисков 251
7.2. Исследование влияния микролегирующих добавок карбидообразующих элементов на структуру и свойства СЧПГ для тормозных дисков 256
7.3. Исследование влияния баланса содержания углерода и кремния в углеродном эквиваленте на структуру и комплекс свойств СЧПГ для тормозных дисков 262
7.4. Выводы 269
8. Технология получения ответственных отливок из ВЧШГ с высокими пластическими характеристиками 263
8.1. Исследование состава, структуры и свойств ответственных отливок из ВЧШГ 274
8.2. Рекомендации по промышленному использованию разработанной технологии для получения ответственных отливок из ВЧШГ 278
8.3. Выводы 279
Заключение 280
Основные результаты и выводы 282
Список использованной литературы 287
Приложение (акты внедрения) 322
- Влияния химического состава чугуна на зарождение и рост пластинчатого графита, технологические методы управления формированием оптимальной структуры СЧПГ
- Структурообразование в ВЧШГ, обработанном «тяжёлыми» лигатурами на никелевой и медной основах
- Вторичное графитизирующее модифицирование как метод стабилизации процессов кристаллизации при нарушении технологии выплавки ВЧШГ и его последующей обработки
- Исследование состава, структуры и свойств ответственных отливок из ВЧШГ
Введение к работе
Актуальность работы. Главный приоритет любого литейного предприятия заключается в производстве годного литья требуемого качества при минимальных затратах. В условиях массового производства при изготовлении основной гаммы деталей из чугуна имеет место тенденция к прямому унифицированию марок. Такой подход оправдан ввиду удобства отработки технологии изготовления отливок. Однако в этом случае коэффициент запаса прочности для некоторых деталей будет завышенным, а коэффициент использования материала - заниженным. Возрастание требований, с одной стороны, к повышению ресурса и надёжности, а с другой - к снижению материалоёмкости и затрат при производстве деталей машиностроения диктует необходимость совершенствования и корректировки понятия «качество чугуна в отливках». Классическое понимание мероприятий по повышению качества отливок, реализуемых на большинстве предприятий, подразумевает проведение работ, направленных, прежде всего, на получение требуемого ТУ уровня механических свойств, максимального снижения уровня самых разнообразных дефектов в структуре материала, причем, в ряде случаев отсутствуют требования к получению структуры заданного типа в отливке. В более широком понимании качество отливок все же характеризуется соответствием состава, структуры и свойств материала необходимым нормативным требованиям.
В новых экономических и технологических условиях базовым содержанием понятия «качество отливок» становится устойчивость по отношению к технологическому процессу получения литой структуры чугуна, обеспечивающей комплекс требуемых механических и эксплуатационных свойств. При этом необходимо рассматривать устойчивые состояния количественных и качественных показателей структурного и фазового состава литого металла, как в условиях нормируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отливки (химический состав чугуна, модификаторов и лигатур; температура расплава, условия охлаждения, конструкционные параметры отливки, условия ввода модификаторов и др.), так и при более существенных отклонениях в технологии (перемодифицирование расплава, некондиционные шихтовые материалы, повышенный уровень загрязнения и т. д.). Учёт экономических требований приводит к понятию «рациональной литой структуры» чугуна, то есть структуры, обеспечивающей требуемые свойства при минимальной себестоимости её получения.
Производство деталей автомобилестроения из чугуна имеет свою специфику, обусловленную широкой гаммой выпускаемой номенклатуры различных габаритов, конструктивных особенностей и использованием различных марок чугуна. При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надёжности деталей автомобиля становится необходимым обеспечение рациональной литой структуры чугуна за счет использования модифицирования, микролегирования, термической обработки. Необходимо отметить, что эти технологии избирательны и порой предназначены для получения узкой номенклатуры отливок. Следствием этого является разработка широкой номенклатуры модификаторов, особенности воздействия которых на металл в расплаве в ряде случаев не исследованы, особенно в области структурообразования, и их применение на основе общих рекомендаций чревато серьезными технологическими рисками и финансовыми потерями.
Решение указанной проблемы возможно на основе систематизации и обобщения современных научных теорий формирования структуры чугуна, экспериментально-промышленных данных о модифицировании железоуглеродистых сплавов с последующим созданием универсальных и экономически целесообразных технологий модифицирования и микролегирования конструкционных чугунов. Такие технологии должны обеспечивать получение рациональной структуры литого металла и, при этом, не требовать полного
технического перевооружения литейных цехов при сохранении существующих технологий выплавки чугуна и формообразования отливок, позволять снижать себестоимость изготовления как уже освоенной, так и новой продукции при обеспечении комплекса требуемых механических и специальных свойств чугунов.
Цель работы:
Повышение качества и стабильности свойств конструкционных чугунов с различным типом графита, фазовым составом и структурой металла матрицы при обеспечении комплекса требуемых свойств деталей машиностроения за счёт получения рациональной литой структуры путём применения модифицирования и микролегирования с учётом комбинированного влияния различных технологических параметров.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Провести систематизацию и обобщение современных теоретических и экспериментально-промышленных данных в области модифицирования и микролегирования чугуна.
-
Изучить составы и особенности использования «тяжёлых» и «лёгких» лигатур, применяемых для ковшевого модифицирования высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), а также разработать и предложить к использованию технологические процессы получения ВЧШГ на основе ковшевого модифицирования без существенного изменения базового оборудования и оснастки.
-
Исследовать влияние содержания редкоземельных металлов (РЗМ) в магниевом модификаторе на структурообразование и устранение дефектов литейного происхождения в отливках из ВЧШГ и чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), получаемым различными технологическими процессами.
-
Выявить особенности, изучить механизмы и предложить технологические схемы графитизирующего модифицирования ВЧШГ и серого чугуна с пластинчатым графитом (СЧПГ) различного химического состава модификаторами разной природы, с учётом стадийности их ввода в расплав и габаритов получаемого литья.
-
Исследовать влияние микролегирования и корректировки химического состава чугуна в тяжёлонагруженных деталях из СЧПГ и ВЧШГ на комплексное повышение их эксплуатационных характеристик.
Научная новизна:
-
На основе систематизации и обобщения современных научных теорий и экспериментально-промышленных данных о модифицировании и микролегировании железоуглеродистых сплавов разработаны обобщающие подходы к получению рациональной литой структуры с требуемым уровнем механических свойств без изменения процессов металлургического и литейного циклов на основе разработки универсальных технологий модифицирования и микролегирования, позволяющих получать разные типы и марки конструкционных чугунов из расплава чугуна базового химического состава. Определены и исследованы механизмы комбинированных процессов модифицирования и микролегирования расплава чугуна, обеспечивающие целенаправленное формирование рациональной литой структуры с требуемым уровнем механических свойств. Исследованы параметры, определяющие формирование рациональной литой структуры в конструкционных чугунах под влиянием модифицирующих и легирующих элементов, вводимых на различных этапах технологического цикла.
-
Обнаружено явление образования большого количества мелких глобулей вторичного графита и конгломератов крупных глобулей первичного графита при
модифицировании ВЧШГ магниевым модификатором с лантаном. Статистическое распределение диаметров графитных включений характеризуется как ярко выраженное бимодальное асимметричное. При этом одна мода соответствует выделениям глобулей первичного графита, а вторая - вторичного (меньшего размера). Образование конгломератов глобулей первичного графита объясняется уменьшением скорости их роста, что повышает вероятность коагуляции (сгущения) графитных глобулей в жидком расплаве без коалесценции. Снижением скорости роста графита также объясняется задержка выделения графита из аустенита и формирование мелких глобулей вторичного графита. Более позднее по времени выделение вторичного графита компенсирует усадочные процессы в отливке в момент прекращения функционирования прибылей, что обеспечивает снижение пористости и повышение механических свойств чугуна.
-
Установлена зависимость структурообразования ВЧШГ от стадийности ввода бария в расплав, заключающаяся в том, что при раннем графитизирующем модифицировании усиливается ферритообразование, снижается твёрдость и формируется преимущественно неправильная форма шаровидного графита ШГф4, а при позднем, наоборот, формируется преимущественно перлитная структура с правильной формой шаровидного графита ШГф5, повышается твёрдость. Это объясняется тем, что при позднем введении бария в расплав ВЧШГ создаётся его избыточная концентрация, превышающая необходимую для связывания в химические соединения поверхностно-активных примесей (О, S и др.). Избыточный барий тормозит рост графитных включений за счёт снижения к ним диффузии углерода из расплава. Оставшийся в аустените углерод способствует формированию перлитной металлической основы. Повышая поверхностное натяжение расплава чугуна, барий позволяет сформировать правильную шаровидную форму графита ШГф5 даже при недостатке растворённого магния. При раннем введении бария в расплав ВЧШГ происходит полное связывание адсорбированных на графитных включениях поверхностно-активных примесей, за счёт чего происходит их очищение и дальнейший рост за счёт диффузии углерода из расплава при формировании преимущественно ферритной структуры. Постепенное уменьшение в расплаве чугуна содержания магния и бария вызывает снижение поверхностного натяжения, что приводит к нарушению равномерного роста базисных плоскостей шаровидного графита на конечной стадии его формирования и получению неправильной объёмной формы ШГф4.
-
Обнаружено и объяснено явление морфологической аномалии графитообразования в СЧПГ с низким содержанием серы (до 0,05%) и высоким содержании азота при введении в расплав добавок циркония и стронция. Морфологическая аномалия характеризуется наличием аномального графита, представляющего собой смесь форм ПГр1, ПГр7, ПГр8 и ПГр9, неравномерно распределённых по объёму отливки. Учитывая наиболее сильное химическое сродство циркония к азоту, его введение в расплав чугуна с растворённым азотом позволяет получить графитизирующий эффект за счёт образования нитрида циркония, являющегося ЦЗГ. Стронций, обладая высоким сродством к сере, проявляет модифицирующие свойства, образуя сульфиды стронция при содержании серы в чугуне не ниже 0,05%. При более низком содержании серы в чугуне несвязанный стронций начинает тормозить процесс графитизации и подавлять действие других графитизирующих элементов.
-
Установлены особенности каталитического влияния Bi и Те на структурообразование чугуна при встречном модифицировании, заключающиеся в следующем. При введении Bi и Те совместно с графитизирующим модификатором на ранней стадии (ковшевом модифицировании) они консервируют находящиеся в расплаве ЦЗГ, представляющие собой как недорастворившиеся включения графита, привнесённые из шихты, так и продукты реакции графитизирующего модификатора с примесями чугуна, и препятствуют как их дальнейшему росту, так и их растворению в расплаве. Проявлением
этого эффекта является измельчение графитной фазы, увеличение длительности графитизирующего эффекта и перлитизация структуры чугуна. При введении Bi и Те в расплав чугуна на ранней стадии и последующем его графитизирующим модифицировании на поздней стадии (в предкристаллизационный период) ПАЭ консервируют только находящиеся в расплаве недорастворившиеся включения графита, перешедшие из шихты, после чего за счёт графитизирующего эффекта разблокируются уже существующие и формируются новые ЦЗГ из продуктов реакции графитизирующего модификатора с примесями чугуна. При этом происходит измельчение графитной фазы и ферритизация структуры чугуна.
-
С учетом различного влияния, а также стоимости компонентов, вводимых в модификаторы и лигатуры, проведена оптимизация их составов и разработаны наиболее экономичные модификаторы для получения ВЧШГ ковшевым модифицированием («тяжёлая» лигатура Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ) и ЧВГ внутриформенным модифицированием (модификатор ФСМг6РЗМ1,5 с пониженным содержанием кальция, бария и алюминия).
-
Определена зависимость контактной прочности СЧПГ от уровня его микролегирования марганцем и хромом. Диапазон содержания легирующих элементов-карбидообразователей учитывает как их положительное (повышение микротвёрдости и термостабильности перлита за счёт образования легированного цементита), так и отрицательное влияние: снижение (при значительных концентрациях этих элементов) прочности матрицы чугуна в рабочем контакте.
-
Установлена зависимость трещиностойкости СЧПГ от содержания углерода и кремния при неизменном углеродном эквиваленте. Показано, что снижение содержания кремния в феррите перлита при одновременном увеличении содержания свободного графита и сохранении углеродного эквивалента приводит к повышению трещиностойкости и износостойкости СЧПГ. Это объясняется увеличением пластичности феррита при уменьшении концентрации кремния и повышением содержания свободного графита в матрице чугуна, что, с одной стороны, усиливает смазывающий эффект, а, с другой, приводит к повышению теплопроводности, обусловливая повышение трещиностойкости.
-
Определена зависимость износа чугуна от содержания в нём серы. Показано, что эта зависимость имеет хорошо выраженный минимум, обусловленный конкуренцией двух механизмов: во-первых, усилением смазывающего эффекта с возрастанием объёмной доли сульфидов марганца и, во-вторых, появлением охрупчивания при превышении размером сульфидных включений толщины графитных пластинок, что проявляется при увеличении содержания серы выше определённой концентрации - 0,12%.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
-
Для всей номенклатуры отливок чугунолитейного и вспомогательного производств ОАО «АВТОВАЗ» разработаны технологические схемы получения отливок из основных марок ВЧШГ и ЧВГ ковшевым модифицированием без изменения существующего состава шихты, оборудования и оснастки в зависимости от требуемой марки: Gh56-40-05, Gh65-48-05 - технологии «ковш с крышкой», «сэндвич»-процесс; ЧВГ40, ВЧ50 - технология «заливка сверху», «контейнерная» технология; Gh75-50-03 - технология модифицирования «тяжёлой» лигатурой на медной основе.
-
Разработана технологическая схема получения ЧВГ внутриформенным модифицированием РЗМ-содержащим безмагниевым модификатором, включающая проведение предварительной графитизирующей обработки, предшествующей основному модифицированию.
-
В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» внедрена технология вторичного (позднего) модифицирования ВЧШГ брикетированными отсевами из
ферросилиция с активными графитизирующими добавками и успешно опробована технология вторичного (позднего) модифицирования ВЧШГ литыми вставками. Внедрены брикеты из отсевов модификаторов ФС65Ба1 и ФС75.
-
Предложены универсальные технологические схемы получения СЧПГ в зависимости от содержания серы и габаритов получаемых отливок с использованием ковшевого и внутриформенного модифицирования. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получения отливок из серого чугуна с низким содержанием серы (Ghl90) внедрён графитизирующий модификатор ФС75Ба2,5, а для отливок с высоким содержанием серы (СЧ40) - ФС75СтЦр.
-
Разработаны технологии графитизирующего модифицирования СЧПГ и ВЧШГ (высоких марок - свыше ВЧ70) смесевыми комплексными модификаторами нового поколения. Для СЧПГ технология состоит из двух этапов - предварительное графитизирующее модифицирование в ковше + последующее графитизирующее модифицирование в стояке формы; для ВЧШГ технология включает только проведение поздней графитизирующей обработки чугуна в стояке формы.
-
В ОАО «АЛНАС» внедрено изготовление дисков переднего тормоза из чугуна Ghl90 с содержанием серы 0,11...0,13% вместо 0,01...0,03%, что привело к значительному повышению их эксплуатационных свойств. Подобрана оптимальная концентрация серы в чугуне, обеспечивающая его наибольший ресурс в паре с материалом тормозной колодки. По результатам стендовых натурных испытаний при удовлетворительной трещиностоикости повышение эксплуатационного ресурса тормозных дисков составляет 40%, тормозных колодок - 12%. При этом увеличена стойкость обрабатывающего инструмента более чем в 2 раза при содержании серы в чугуне свыше 0,08%.
-
Во вспомогательном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для новой перспективной модели на платформе С - ВАЗ-2116 разработана конкурентоспособная технология получения отливок деталей «Кулак поворотный» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» из ВЧШГ ферритного класса с высокими пластическими свойствами марки ВЧ40 взамен поковок из стали АЦ40ХГНМ.
-
На практике доказана целесообразность использования модификатора для встречного модифицирования как дополнительной присадки к классическим графитизирующим модификаторам, способствующей достижению рациональной литой структуры чугуна.
-
Результаты исследований внедрены в металлургическом производстве ОАО «АВТОВАЗ», получено 8 актов внедрения с общим экономическим эффектом 22 млн. 112 тыс. рублей в текущих ценах 2005-2008 гг.
На защиту выносятся:
-
Универсальная концепция и научные подходы получения чугуна с требуемым уровнем механических свойств и рациональной литой структурой без изменения процессов металлургического и литейного циклов.
-
Установленные особенности влияния лантана в составе магниевого модификатора на особенности процессов графитообразования, формирование благоприятной морфологии шаровидного графита. Механизм влияния лантана на подавление усадочных процессов в ВЧШГ.
-
Особенности и механизмы формирования литой структуры ВЧШГ с требуемым уровнем механических свойств при варьировании стадийности ввода бария в расплав чугуна в составе модификатора.
-
Разработанные технологические методы и составы модификаторов для получения рациональной литой структуры ЧВГ на основе внутриформенного модифицирования. Зависимость влияния увеличения содержания РЗМ в чугуне на морфологию графитных включений.
-
Механизмы и особенности усвоения смесевых комплексных модификаторов нового поколения на графито-кремниевой основе с добавками магния и кальция при различных технологических схемах их введения в расплав чугуна.
-
Зависимости влияния активных добавок (Ва, Са, Zr, Sr, РЗМ) в графитизирующих модификаторах на механические свойства и морфологию графита в чугуне. Механизм каталитического влияния поверхностно-активных элементов - Bi и Те, входящих в состав модификатора для встречного модифицирования, на структурообразование чугуна.
-
Обнаруженные особенности влияния содержания серы в СЧПГ на процессы получения рациональной литой структуры в зависимости от массы, конфигурации и толщины стенки отливки.
-
Зависимости влияния структурных особенностей и химического состава СЧПГ для деталей, работающих в сухой абразивной среде при высоких температурах и нагрузках, на его эксплуатационные характеристики. Механизмы влияния содержания серы, марганца, хрома, молибдена, титана в СЧПГ на его износостойкость.
Достоверность. Достоверность полученных в работе результатов исследований обеспечивается применением комплекса современного оборудования и типовых методик исследований, проведением всего объёма опытных работ непосредственно в условиях действующего чугунолитейного цеха, сравнением результатов лабораторных испытаний с результатами стендовых натурных испытаний, а также использованием методов статистической обработки результатов экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II и III Всероссийских научно-технических конференциях «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2003, 2004), XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003), II Международной научно-практической конференции «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти, 2003), V, VIII, IX Научно-практических конференциях молодых специалистов ОАО «АВТОВАЗ» (Тольятти, 2003, 2006, 2007), научно-технических семинарах ТГУ и Исследовательского центра НТЦ ОАО «АВТОВАЗ» в 2003-2004 гг., III и IV Международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2005, 2007), II Международной школе «Физическое материаловедение», XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006), XVI Петербургских чтениях по прочности, посвященных 75-летию со дня рождения В. А. Лихачёва (Санкт-Петербург, 2006), VI Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006), II Литейном консилиуме «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» (Миасс, 2006).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в список ВАК: «Тяжёлое машиностроение», «Литейное производство», «Заготовительные производства в машиностроении», «Литейщик России», «Металлург», «Вестник машиностроения», «Автомобильная промышленность».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 43 печатных работах.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, основных результатов и выводов, изложена на 337 страницах, включая 134 рисунка, 122 таблицы, список литературы из 359 источников и приложения (акты внедрения) на 16 страницах.
Влияния химического состава чугуна на зарождение и рост пластинчатого графита, технологические методы управления формированием оптимальной структуры СЧПГ
Одна из основных причин высокого модифицирующего действия малых (десятые и сотые доли процента) концентраций Sb при наличии в десятки раз больших концентраций кремния в исходном жидком чугуне связана с возникновением локальной химической и тепловой неоднородности при растворении модификатора в расплаве. Вокруг растворяющихся частиц ферросилиция возникают сильно- обогащенные кремнием зоны размером до нескольких миллиметров. Поскольку Si -: повышает активность углерода, то расплав в этих зонах становится сильно заэвтектическим и его фигуративная точка в координатах «температура -концентрация» далеко входит в двухфазную зону, в которой выделяется первичный графит. Возникающая в расплаве вокруг частиц холодного модификатора тепловая неоднородность только ускоряет данный переход [10]. Кремний повышает активность С в жидком чугуне и способствует выделению графита. При модифицировании чугуна в расплаве создаются сильно обогащенные Si микрообъёмы, в которых облегчается зарождение графита. При длительной выдержке модифицированного чугуна количество , богатых Si микрообъёмов уменьшается и эффект модифицирования исчезает. В процессе такой выдержки жидкого чугуна уменьшается и число существующих в нём готовых зародышей графита [11].
Эффект модифицирования определяется количеством возникших дополнительных центров кристаллизации и их каталитической активностью. _ Последнее условие обеспечивается полным кристаллографическим соответствием выделившихся в зонах растворения, модификатора, обогащенных кремнием, частиц первичного графита. Для этого необходимо выполнение первого условия - создания, максимального числа активных дополнительных центров, жизнедеятельность которых соизмерима С-интервалом времени между вводом модификатора в расплав и затвердеванием отливки [7, 10, 12].
Исходя из современных представлений о взаимодействии частиц модификатора с расплавом чугуна, можно выделить следующие- этапы процесса растворения частиц модификатора, введённых в расплав: ввод частиц модификатора в расплав чугуна; «намораживание» корочки сплава на частицах модификатора; расплавление корочки и растворение в сплаве частиц модификатора; воздействие химических элементов, входящих в состав модификатора, на процесс образования дополнительных графитных включений; окончание воздействия модификатора на графитообразование в чугуне и начало «затухания» процесса модифицирования. Наибольшая. эффективность воздействия физического поля на данный процесс обеспечивается на стадии растворения, модификатора, так как при этом существенно повышаются прочностные свойства модифицированного серого чугуна [13-16].
При вводе модифицирующей присадки на основе сплава с высоким , содержанием кремния в расплав чугуна частица такой лигатуры, растворяясь, создаёт вокруг себя область повышенной концентрации кремния [17]. При увеличении содержания кремния в чугуне свыше 2% ухудшается форма графита вследствие ослабления им аустенитной оболочки, в результате чего она легче разрушается под воздействием долгорастущего графита. С другой стороны, повышение содержания кремния инициирует выделение графита из расплава до начала эвтектической кристаллизации чугуна с последующим образованием междендритных колоний графита [18].
Ввиду того, что кремний повышает термодинамическую активность углерода, расплав в указанных зонах становится заэвтектическим и двухфазным, при этом возможно выделение первичного графита или карбида кремния, даже при температурах расплава, значительно превышающих температуру кристаллизации. Включения высокоуглеродистых фаз играют роль эффективных подложек для кристаллизации графита при дальнейшем охлаждении и затвердевании чугуна [19].
Инокулирующая способность кремнийсодержащих присадок, исходя из описанного выше механизма, повышается с помощью [19]:
- максимального стимулирования процессов образования избыточных углеродсодержащих фаз в зонах растворения присадки, что достигается в результате дополнительного образования в расплаве тугоплавких подложек за счёт ввода в ферросилиций дополнительных активных элементов (Са, Mg, Ва и др.) - химический метод;
- сокращения периода между введением присадки и затвердеванием отливки, то есть реализации «позднего» модифицирования, а также улучшения растворимости модификаторов в расплаве - кинетический метод;
- повышения устойчивости в ненасыщенном углеродсодержащем расплаве активированных графитных слоев на неметаллических включениях после завершения процесса растворения модификатора за счёт введения поверхностно-активных элементов - физико-химический метод.
Понижение содержания кислорода расплава происходит в локальной зоне, „практически не отражаясь на общем содержании кислорода в чугуне. Содержание кислорода оказывает заметное влияние на активность углерода в локальных зонах, которая увеличивается по мере раскисления расплава. Таким образом, в локальной зоне расплава (в месте растворения частицы лигатуры) наблюдается повышенная (до 25%) концентрация кремния и пониженная концентрация кислорода, в совокупности обеспечивающие повышение активности углерода; тем самым в локальных зонах создаются благоприятные условия для кристаллизации графита [17].
На основе сказанного следует, что основная задача графитизирующего модифицирования заключается в создании в расплаве благоприятной обстановки для активного зародышеобразования, кристаллизации и роста включений графита [17, 20-26].
Воздействие графитизирующих модификаторов.проявляется в чугунах не только в период эвтектической кристаллизации, но распространяется также на структурные превращения, происходящие в твёрдом состоянии, понижая, в частности, устойчивость эвтектоидного и вторичного цементита. Причём эффект графитизации мало зависит от исходного содержания кремния в чугуне и вызывается, главным образом, кремнием, вводимым в расплав в составе модифицирующих присадок. В связи с этим становится возможным уменьшать исходное состояние кремния в модифицированных чугунах, ограничиваясь кремнием, вносимым графитизирующим модификатором [27, 28].
Модифицирование способствует измельчению эвтектического зерна и размеров графитных агрегатов, значительному улучшению формы и распределения графита в структуре чугуна, повышению-его механических и эксплуатационных свойств. Наоборот, для немодифицированного, например, хромоникелемолибденомедистого чугуна, характерны неравномерное распределение графита (ПГд180...ПГд280, ПГр2), образование участков с ориентацией графитовых включений в виде колоний ПГрЗ, сетчатости ПГрб; междендритным распределением графита ПГр8, ПГр9 и наличием крупных включений структурно-свободного цементита Цп20000, что обуславливает невысокие механические свойства такого чугуна [29-32].
Распространёнными модификаторами для СЧПГ являются: дроблёный ферро силиций или модификаторы на его основе, модификаторы на основе графита или модификаторы-смеси. Чистый Si обладает свойствами модификатора, а более сильная модифицирующая способность промышленного FeSi объясняется его сложным составом и, прежде всего, содержанием в нём таких элементов как А1 и Са, которые сами являются модификаторами [11].
"Наиболее эффективными являются комплексные модификаторы, в том числе и ферросилиций ФС75,. который также является комплексным модификатором, так как кроме Si и Fe содержит А1 и Са. При этом не все составляющие сложных модификаторов оказывают одинаковое влияние на-чугун. Некоторые из них повышают эффективность модифицирующего воздействия других составляющих путём раскисления, десульфурации или иных процессов [33].
Графитизирующее действие алюминия основано на засорении расплава частицами его оксида (АЬОз), нитридами и другими подобными соединениями, образующимися в результате взаимодействия алюминия с растворёнными в чугуне газами. Образующиеся микроскопические частицы находятся в расплаве длительное время и служат подложками для-графитизации в твёрдом или жидком чугуне. Частицы эти тугоплавки, в чугуне не растворяются и всплывают очень медленно. На основе перечисленных особенностей алюминий причисляется к очень живучим модификаторам. Кроме того, у алюминия существует определённый порог, выше которого при увеличении добавки графитизирующие. сиойства повышаются незначительно [34].
Ввод FeSi в расплав перед заливкой в формы вызывает значительное увеличение центров кристаллизации (ЦК) графита, и, следовательно, эвтектических зёрен, уменьшение переохлаждения при эвтектической кристаллизации и величины отбела отливок [11]".
Известно, что эффективность модифицирования определяется температурой заливки и выдержкой чугуна после введения модификатора. При модифицировании модификатором состава FeSi 70...90%), Са 0,5% , А1 1,0... 1,4%о с добавками В, Mn, Mg и РЗМ (для улучшения структуры металлической матрицы) установлено, что интенсивность его воздействия понижается на 50% через каждые 5 минут [35].
Структурообразование в ВЧШГ, обработанном «тяжёлыми» лигатурами на никелевой и медной основах
Обработка расплава чугуна в ковше «тяжёлыми» магнийсодержащими лигатурами является наиболее простым и технологичным процессом. Для комплексной обработки расплава чугуна «тяжёлая» лигатура должна обладать одновременно модифицирующими и микролегирующими свойствами при относительной дешевизне. Известно, что магний имеет хорошую растворимость только в некоторых металлах (Al, Mo, Ni, Си), однако с точки зрения целесообразности их использования в качестве легирующих добавок в чугуне их ряд ограничивается только никелем и медью.
Наиболее распространенными «тяжёлыми» магнийсодержащими лигатурами, используемыми в технологическом процессе получения литья из высокопрочного чугуна являются - никель-магний-РЗМ, медь-магний-РЗМ, а также комбинированная лигатура - никель-медь-магний-РЗМ [300, 301]. Содержание магния во всех лигатурах - в пределах 14... 19%. Однако самой популярной является лигатура никель-магний-РЗМ (табл. 13) ввиду сравнительно низкого пироэффекта при реакции с расплавом чугуна и относительно высокой температурой плавления (солидус 1095С, ликвидус 1П7...1145С).
Ввиду стремительного роста цены на никель для экономного сфероидизирующего ковшевого модифицирования и микролегирования чугуна является целесообразным смещать акценты с никелевой лигатуры на медную, а также использовать различные комбинированные лигатуры. Принимая во внимание, что, при атмосферном давлении в меди и никеле усваивается до 22% магния, но при этом снижается температура плавления получаемых сплавов, сначала ставилась задача изучить эффективность применения для модифицирования ВЧШГ «тяжёлой» лигатуры на чисто медной основе, а затем - на никелевой и медной основах, разбавленных более дешёвыми элементами (Fe, Si) при выдерживании требуемого содержания магния - 14... 17%.
В данном разделе проведено изучение эффективности всех возможных разновидностей «тяжёлых» лигатур - медь-магний-РЗМ, медь-никель-магний-РЗМ, железо-никель-магний-РЗМ, железо-никель-медь-магний-РЗМ и железо-кремний-медь-магний-РЗМ.
Лигатура «медь-магний-РЗМ». Эта лигатура стоит на втором: месте по широте своего распространения после никелевой ввиду своей специфики. Из-за- относительно низкой температуры плавления (солидус 725С, ликвидус 790...864С) она реагирует с расплавом чугуна со значительным пироэффектом. Усвоение магния расплавом из медной лигатуры несколько хуже, чем из лигатуры на никелевой основе, поэтому её расход, соответственно, выше и зависит в первую очередь от температуры заливаемого чугуна. Учитывая, что медь по своей природе - более сильный перлитизатор, чем никель, а также её более высокую концентрацию, привносимую в чугун из лигатуры, она играет роль легирующей добавки. При этом отпадает необходимость в доведении содержания меди в печном химическом составе чугуна. Помимо всех перечисленных особенностей — лигатура на чисто медной основе существенно дешевле лигатуры на цельноникелевой основе и в зависимости от колебания цен на никель составляет от 3-х до 4-х раз.
Лигатура на медной основе используется исключительно для получения отливок из высоких марок высокопрочного чугуна — ВЧ70 и более, например «Вал коленчатый» автомобилей ГАЗ-66 и ВАЗ-2101 в «Центролите» (г. Одесса) [302]. Работа по освоению лигатуры медь-магний-РЗМ была проведена и в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получения отливок «Вал коленчатый» всех моделей.
На испытания были представлены две партии лигатуры медь-магний-РЗМ следующего состава (табл. 14).
Модифицирование производилось согласно действующему технологическому процессу путём размещения навесок сфероидизирующего модификатора - лигатуры Cu-Mg-Ce и графитизирующего модификатора -ФС65Ба1 (ОАО «НИИМ», г. Челябинск) на днище ковша перед его-заполнением расплавом чугуна из печи ожидания. Вторичное модифицирование в заливочной чаше формы - кусок ФС75лЗ. Было проведено пять заливок, расход модифицирующих материалов из расчёта на заливочный ковш 1200 кг с соотношением высоты к среднему диаметру 1,4:1: Cu-Mg-Ce - 10 кг, ФС65Ба1 - 6; 6; 7,7; 7 и 7 кг.
Ковшевой химический анализ металла представлен в таблице 15.
Микроструктура и механические свойства исследованных образцов отливок приведена в таблице 16.
По результатам испытания первой партии лигатуры были проведены" изменения касающиеся:
- исключения доводки по марганцу в печи снижения и его сохранение на уровне 0,25...0,35%, что позволит уменьшить твёрдость отливок после нормализации и содержание цементита в структуре, а также снизить себестоимость получаемого литья;
- уменьшения рабочей температуры проведения нормализации с 910С до 870С для полного устранения вторичного цементита в структуре , ОТЛИВУК, снижения и стабилизации твёрдости.
При испытании второй партии лигатуры было проведено три опытных заливки, из которых на первых двух шихтозавалка готовилась согласно действующей инструкции и балансу металла, составу и нормам расхода шихты на чугунное литьё, а на последней для специального провоцирования накопления меди в возврате, использовался возврат, обогащенный медью, от первых двух плавок. Такая накопительная схема была предложена исходя из недостатка после первой плавки необходимого количества обогащенного медью возврата для проведения второй плавки. Ковшевое модифицирование: Cu-Mg-Ce - 10 кг, ФС75Ба2,5 - 6 кг (первая и вторая плавки) и 7 кг (третья плавка). Вторичное модифицирование в заливочной чаше формы - кусок ФС75лЗ.
Ковшевой химический анализ металла представлен в таблице 17.
Микроструктура и механические свойства исследованных образцов отливок приведена в таблице 18.
Таким образом, подтверждена норма расхода «тяжёлой» лигатуры Cu-Mg-Ce для получения требуемого качества металла в отливках «Вал коленчатый» всех моделей - 10 кг. По сравнению с расходом лигатуры Ni-Mg-Ce - 5,4 кг на 1200 кг расплава чугуна, её расход увеличился в 1,85 раза. Однако следует иметь виду, что при изменении соотношения характеристических параметров заливочного ковша - высоты к среднему диаметру - расход лигатуры может меняться как в сторону роста при увеличении этого соотношения до 2...2,5:1, так и уменьшения при его величине менее 1,4:1.
Вторичное графитизирующее модифицирование как метод стабилизации процессов кристаллизации при нарушении технологии выплавки ВЧШГ и его последующей обработки
Наиболее эффективным, гибким и универсальным процессом управления структурным состоянием расплава чугуна и, следовательно, процессом формирования заданных свойств при кристаллизации, среди всех прочих является модифицирование. Влияние химических элементов,. входящих в состав модификаторов, на структурообразование чугунов следует рассматривать с привязкой к структурному состоянию Fe-C-расплавов. Существуют различные трактовки, теории и модели, объясняющие строение расплавов чугуна, каждая из которых определяет-свою «форму» существования углерода, закладывающую свою, особенную структуру расплава чугуна. Одним из путей разрешения проблемы модифицирования низкотемпературных расплавов, в том числе и чугуна, является их рассмотрение с точки зрения фуллереновой природы [326-328].
Фуллерен - С60 - новая, сравнительно недавно открытая аллотропическая форма существования углерода, представляющая собой многогранник с шестьюдесятью вершинами, в которых и располагаются атомы углерода. Размер фуллерена - порядка 0,7 нм.
Самое ценное свойство фуллеренов, изменяющее привычную для нас" точку зрения на структуру жидкого чугуна как систему с флуктуационным механизмом зарождения центров кристаллизации, - наличие физической поверхности раздела [329-333]. Основу технологии встречного модифицирования чугуна составляет новый тип модификатора, условно названный - Glitter (от англ. - блестеть), оказывающий каталитическое воздействие на фуллереновые структуры жидкого чугуна, проявляющееся в обволакивании каждого активного элемента Glitter фуллереновой «шубой». Затянутые в углеродную «шубу» атомные комплексы активных элементов Glitter и являются гомогенными центрами зарождения и роста графитных включений. Кроме этого, компоненты Glitter, являясь поверхностно-активными элементами (ПАЭ), активизируют поверхность неметаллических включений, способствуя ее покрытию многослойной фуллереновой «шубой», и, тем самым, превращая неметаллическую фазу (или её часть) в гетерогенные центры графитообразования.
Модификатор Glitter представляет собой комплексное химическое соединение из ПАЭ (в данном случае - бинарный сплав Bi2Te3) и их твёрдых растворов с другими элементами. В основе модификатора Glitter - ПАЭ подгрупп Va и Via таблицы Менделеева Al, Sb, Sn, Си и другие элементы. Микроструктура модификатора Glitter приведена на рисунке 84.
Модификатор Glitter обладает следующими свойствами:
- температура модифицирования 1180... 1600С;
- плотность р 8,0 г/см3 (для сравнения, плотность жидкого чугуна р = 7,2...7,4 г/см ), то есть данный модификатор тонет в расплаве чугуна;
- степень усвоения 90.. .95%;
- дозировка 0,001 ...0,0015% (для высокопрочного чугуна), 0,002...0,0025% (для серого чугуна);
.- отсутствие пироэффекта и дымовыделения;
- длительность модифицирования до 20.. .30 минут;
- область модифицирования - все типы чугунов, независимо от типа плавильного агрегата (электропечной, доменный, ваграночный);
- эффективно работает при 0,1.. .0,3% S в чугуне.
Локальная цель - исследовать влияние модификатора для встречного модифицирования - Glitter на структуру и свойства чугуна в отливках при различных схемах модифицирования. В данном параграфе были проведено изучение графитизирующей способности модификатора Glitter при получении отливок 2101-1005030 «Звёздочка коленчатого вала».
Исходные технологические параметры: Расходные материалы -сфероидизирующий модификатор Ni-Mg-Ce-лигатура (1,5 кг) и графитизирующий модификатор для первичной обработки в ковше ФС75л6 (1,3 кг) на 300+15 кг расплава чугуна, а также кусок ФС75лЗ для вторичного (позднего) модифицирования в заливочной чаше формы; расход модификатора Glitter - 0,00125% или 3,75 г на 300±15 кг расплава чугуна.
Последовательность проведения процесса модифицирования -высокопрочного чугуна с использованием модификатора Glitter:
1. На днище заливочного ковша укладываются навески лигатуры Ni-Mg-Ce и графитизирующего модификатора ФС75л6.
2. Заливочный ковш заполняется расплавом чугуна на 2/3 объёма.
3. Струя прерывается и даётся необходимая выдержка времени для завершения активной стадии пироэффекта.
4. В заливочный ковш помещается навеска модификатора Glitter.
5. Производится заполнение заливочного ковша до нормативного объёма.
Эксперимент 1. Оценка влияния модификатора Glitter на подавление ферритообразования в микроструктуре чугуна при-избыточном (в 1,7 раза) введении в расплав чугуна графитизирующего модификатора.
Фактические значения технологических параметров приведены в таблице 65.
Химический состав чугуна приведён в таблице 66.
Результаты определения твёрдости по Бринеллю и анализа микроструктуры приведены в таблице 67.
Эксперимент 2. Оценка влияния модификатора Glitter на структурообразование чугуна при исключении операции первичного ковшевого графитизирующего модифицирования.
Фактические значения технологических параметров приведены в таблице 68.
Результаты определения твёрдости по Бринеллю и анализа микроструктуры приведены в таблице 70.
Эксперимент 3. Оценка влияния модификатора Glitter на струкіурообразование чугуна при исключении операции вторичного (позднего) графитизирующего модифицирования в заливочной чаше формы.
Фактические значения технологических параметров приведены в таблице 71.
Исследование состава, структуры и свойств ответственных отливок из ВЧШГ
Акцент, сделанный именно на высокопрочном чугуне с ферритной матрицей, обусловлен тем, что в эксплуатации вышеуказанные детали подвергаются достаточно высоким нагрузкам, создающим динамически изменяющееся объёмное поле напряжений. Для модели 2116 поперечный изгибающий момент 270...285 кг-м; коэффициент динамической нагрузки 2,25... 3,0; коэффициент перехода на боковую нагрузку 1,2... 1,35. Дополнительно следует отметить, что указанные детали имеют прямое влияние на безопасность автомобиля. При их поломке неминуема авария с тяжелыми последствиями. При данных условиях работы материал должен обладать наилучшим сочетанием предела текучести, относительного удлинения и ударной вязкости [278, 357, 358]. Для первичной апробации на этапе изготовления опытных образцов деталей и оценки их работоспособности в качестве материала был выбран высокопрочный чугун марки В440.
Критериями оценки материала опытных отливок определены:
- металлическая основа - феррит;
- относительное удлинение - не менее 15%.
Разработка и апробация технологии получения ВЧШГ с высокими пластическими характеристиками для высокоответственных отливок.
Для стабильного ведения процесса изготовления отливок были составлены рекомендации к используемым шихтовым материалам (табл. 118).
Шихтовые материалы и химический состав расплава чугуна в печи выбраны исходя из следующих соображений. Для получения чисто ферритной металлической основы чугуна должны исключаться материалы, имеющие в своём составе любые сильные карбидообразователи (Nb, W, V, В и др.), перлитообразующие элементы (Sn, Ni и Си), а содержание в них Si, Мп и, особенно, Сг необходимо строго оговаривать (табл. 8).
Углеродный эквивалент чугуна в печи при содержаниях углерода и кремния, указанных в таблице 8, должен находиться в диапазоне 4,15...4,45. При этом содержание кремния в ковшевой пробе должно быть не более 2,8% во избежание потери пластических свойств легированного кремнием феррита [221]. Углеродный эквивалент чугуна в ковше при введении вышеуказанных количеств модифицирующих материалов должен находиться в диапазоне 4,45...4,75. Для проведения заливки были использованы заливочные ковши с конструкцией футеровки, разработанной в п. 3.2.1. Для модифицирования в карман ковша с помощью воронки засыпался модификатор ФСМгб фракции 4-32 мм в количестве 1,2% от массы расплава чугуна и покрывался слоем одного из графитизирующих модификаторов ФС65Ба1, ФС75Ба1 или ФС75Ба2,5 фракции 1-5 мм в количестве 0,5% от массы расплава чугуна. В литниковую чашу каждой формы положить кусок ферросилиция ФС75лЗ массой 50 г. Температура выдачи расплава из печи в ковш: 1480...1500С3 температура расплава в ковше перед разливкой в формы: 1440... 1460С.
Разработанная и опробованная технологическая схема подготовки расплава и последующего модифицирования позволяет получить высокопрочный чугун марки ВЧ40 в условиях единичного и мелкосерийного производства, однако на всех исследованных отливках отмечается повышенная твёрдость в литом состоянии 187...202 НВ (по чертежу -130... 185 НВ), что может быть связано с применением ХТС для изготовления литейных форм. В этом случае кристаллизация отливок происходит с более высокой скоростью по сравнению с кристаллизацией отливок в песчано-глинистых формах.
Таким образом, для дальнейшей отработки и стабилизации технологического процесса изготовления деталей «кулак поворотный» и «корпус подшипника ступицы заднего колеса» необходимо смоделировать технологический процесс получения отливок в формы из ПГС, максимально приближенный к условиям серийного производства.
Исследование состава, структуры и свойств ВЧШГ в опытных отливках и обсуждение полученных результатов. Химический состав чугуна в печи и ковше, микроструктура и её параметры, а также результаты определения механических свойств материала опытных отливок деталей приведены в таблицах 119-121 и нарис. 132, 133.
Причинами повышенной твёрдости чугуна в некоторых отливках являются: использование для опытных заливок форм из ХТС вместо ПГС; завышенный углеродный эквивалент чугуна; пониженная температура форм, связанная с сезонными колебаниями температуры.
Однако главную роль в отклонении твёрдости от норматива играет именно первая из вышеперечисленных причин. При заливке чугуна в форму из ПГС между поверхностями отливки и литейной формы образуется «паровая подушка», задерживающая отвод тепла и снижающая скорость охлаждения металла.
При заливке на линиях в действующем производстве:
- металлоёмкость используемых форм из ПГС примерно в 3 раза больше форм из ХТС для опытных отливок;
- температура формовочной ПГС выше, чем ХТС, за счёт использования тёплой горелой смеси;
- теплопроводность формы из ПГС меньше, чем из ХТС, в результате чего скорость охлаждения отливки в форме более низкая.
