Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием

На правах рукописи

БОЛДЫРЕВ Денис Алексеевич Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием Специальность: 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Самара 2013

Работа выполнена в Исследовательском Центре ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) и на кафед ре «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государ ственный университет»

Научный консультант: КРИШТАЛ Михаил Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: БАННЫХ Олег Александрович, академик РАН, доктор технических наук, профессор, ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, заведующий лабораторией конструк ционных сталей и сплавов КЕНИС Михаил Семёнович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический универси тет», профессор кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» ЕМЕЛЮШИН Алексей Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический уни верситет им. Г. И. Носова», заведующий кафедрой «Материаловеде ние и термическая обработка металлов»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный уни верситет»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, д. 141, корпус №6, аудитория №

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский госу дарственный технический университет» Ваши отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью организации, в двух экземп лярах просим направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета Д 212.217.02 по следующему почтовому адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, главный корпус, а также по электронной почте на адрес: [email protected]

Автореферат разослан «» _ 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.217.02, доктор технических наук, профессор А. Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Графитизированные чугуны широко применяются в автомобиле строении для изготовления большой номенклатуры деталей двигателя, шасси и других узлов ав томобиля. Однако их качество не всегда удовлетворяет всё возрастающим требованиям в усло виях острой конкурентной борьбы в современном мировом автомобилестроении. Производство деталей автомобилестроения из чугуна имеет свою специфику, обусловленную как широкой гаммой выпускаемой номенклатуры различных габаритов, конструктивных особенностей, так и использованием различных марок чугуна. При этом в связи с ростом и ужесточением требова ний к надежности и ресурсу деталей автомобиля основной проблемой для существующих ти пов и марок графитизированных чугунов является либо их несоответствие требованиям норма тивной документации (НД) по структурно-механическим характеристикам, либо, чаще всего, их структурная нестабильность в пределах требуемых нормативных показателей, представленная как дефектами макроструктуры усадочной пористостью, так и микроструктуры расслоением распределения графита (флотация, дросс), поверхностным и глубинным отбелом (свободный цементит), формированием междендритных распределений графита (ПГр8, ПГр9), нарушением сфероидальности графита в высокопрочном чугуне, неоднородным распределением вермику лярного графита (особенно в длинномерных деталях), снижением термостабильности перлита, приводящим к нестабильности их свойств. Критерием стабильности структуры и свойств явля ется достижение их требуемых показателей как в пределах одной отливки, так и в отливках од ной партии. Поскольку чугуны являются важным литейным конструкционным материалом, тех нология их получения вносит основной вклад в формирование параметров рациональной струк туры и уровня свойств и их стабильности в автомобильных литых деталях. Под рациональной понимается структура, обеспечивающая требуемые свойства при наименьших затратах.

Применение традиционных мероприятий по повышению качества отливок, реализуемых на большинстве предприятий, подразумевает проведение работ, направленных, прежде всего, на получение требуемого НД уровня механических свойств, максимального снижения уровня са мых разнообразных дефектов макро- и микроструктуры материала. При этом в ряде случаев от сутствуют требования к получению структуры заданного типа в отливке. В более широком по нимании качество отливок все же характеризуется соответствием состава, структуры и свойств материала необходимым нормативным требованиям. В условиях массового производства при изготовлении основной гаммы деталей из чугуна имеет место тенденция к унифицированию ма рок. Такой подход оправдан ввиду удобства отработки технологии изготовления отливок. Одна ко в этом случае коэффициент запаса прочности для некоторых деталей будет завышенным, а коэффициент использования материала заниженным. Возрастание требований к снижению материалоёмкости и затрат при массовом производстве деталей машиностроения также диктует необходимость совершенствования и корректировки понятия «качество чугуна в отливках».

В новых экономических и технологических условиях базовое содержание понятия «каче ство чугуна в отливках» основывается на получении литой структуры чугуна, обеспечивающей комплекс требуемых механических и эксплуатационных свойств, полученной при стабильном технологическом процессе. При этом необходимо рассматривать устойчивость количественных и качественных показателей структурного и фазового состава литого металла, как в условиях нормируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отлив ки (химический состав чугуна, модификаторов и лигатур;

температура расплава, условия охла ждения, конструктивные параметры отливки, условия ввода модификаторов и др.), так и при более существенных отклонениях в технологии (перемодифицирование расплава, наследствен ное влияние структуры шихтовых материалов, в том числе некондиционных, повышенный уро вень загрязнения и т. д.). Учёт экономических требований предполагает получение регламенти руемой НД литой структуры отливок, обеспечивающей необходимые свойства при минималь ной себестоимости её получения.

При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надёжности деталей авто мобиля обеспечение требуемой литой структуры чугуна может быть обеспечено за счёт исполь зования комплексных технологий модифицирования, микролегирования, термической обработ ки. Необходимо отметить, что эти технологии избирательны и порой предназначены для полу чения узкой номенклатуры отливок. Разработка широкой номенклатуры модификаторов, осо бенности воздействия которых на металл в расплаве в ряде случаев не исследованы, особенно в области структурообразования, и их применение на основе общих рекомендаций чревато серь езными технологическими рисками и финансовыми потерями.

Решение указанной проблемы возможно на основе систематизации и обобщения совре менных научных теорий формирования структуры и свойств чугунов, основной вклад в созда ние и развитие которых внесли такие ведущие учёные в области литейного материаловедения:

К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран, А. А. Жуков, Н. Г. Гиршович, Г. И. Сильман, С. Н.

Леках, В. И. Литовка, И. К. Кульбовский, И. А. Дибров, Н. Н. Александров, Е. В. Ковалевич, Г.

М. Кимстач, Д. А. Худокормов, В. М. Колокольцев, К. Н. Вдовин, Л. Я. Козлов, И. В. Рябчиков, Г. А. Косников, В. А. Курганов, Е. Нехтельбергер, J. Riposan, M. Chisamera, T. Skaland, H. Mayer, A. De-Sy, H. Morrogh, G. N. Gilbert, M. Hillert, H. E. Trout, D. R. Kaninski. При этом также ис пользованы экспериментально-промышленные данные, полученные при расширенных произ водственных испытаниях.

Таким образом, получение требуемой литой структуры графитизированных чугунов в ав томобилестроении, обеспечивающей достижение повышенного уровня стабильности ком плекса их механических и специальных свойств, должно основываться на результатах иссле дования формирования структуры и свойств этих чугунов при их модифицировании и мик ролегировании. Использование усовершенствованных на основе полученных результатов существующих и новых универсальных и экономически целесообразных технологий моди фицирования и микролегирования, не требует полного технического перевооружения литей ных цехов при сохранении существующих базовых технологий выплавки чугуна и формооб разования отливок, способствующих, в том числе, снижению себестоимости изготовления как уже освоенной, так и новой продукции, что особенно важно в условиях действующего массового производства.

Диаграмма причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы) комплексного влия ния рассматриваемых в работе технологических параметров на получение требуемых струк туры и свойств графитизированных конструкционных чугунов приведена на рис. 1.

Структура и свойства графитизированных конструкционных чугунов Модифицирование Сфероидизирующее Химический состав Виды модифицирования Технологические параметры Фракционный состав В ковше Внутри формы Модификатор В крупке Мелкодисперсный В куске Плотность Тяжёлый Лёкгий Графитизирующее Внутри формы В ковше На фильтре В чаше формы Микролегирование «Тяжёлые» Ферросплавы лигатуры Рис. 1. Диаграмма причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы) комплексного влияния рассматриваемых в работе технологических параметров на структуру и свойства графитизированных конструкционных чугунов Цель работы:

Повышение качества и стабильности свойств конструкционных чугунов с различным ти пом графита, фазовым составом и структурой металлической основы при обеспечении комплек са требуемых свойств деталей машиностроения за счёт получения рациональной литой структу ры путём применения модифицирования и микролегирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать и обобщить современные теоретические и экспериментально промышленные данные в области структурообразования и формирования свойств конструкци онных чугунов при их модифицировании и микролегировании.

2. Установить особенности влияния базовых «тяжёлых» и «лёгких» магниевых лигатур и их разновидностей при микролегировании и ковшевом сфероидизирующем модифицировании на структурообразование и свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).

3. Исследовать влияние редкоземельных металлов (РЗМ) в магниевых модификаторах при различных технологических схемах модифицирования на структурообразование и свойства ВЧШГ и чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ).

4. Изучить влияние на структурообразование и свойства ВЧШГ и серого чугуна с пла стинчатым графитом (СЧПГ) различных технологических схем графитизирующей обработки модификаторами разной природы, с учётом стадийности их ввода в расплав и габаритов полу чаемого литья.

5. Исследовать влияние микролегирования и изменения химического состава СЧПГ и ВЧШГ в тяжёлонагруженных деталях на комплекс их эксплуатационных характеристик.

6. Апробировать и внедрить полученные результаты исследований в условиях массового производства чугунных автомобильных деталей.

Научная новизна:

1. На основе систематизации и обобщения современных научных теорий и экспери ментально-промышленных данных о модифицировании и микролегировании железоуглеро дистых сплавов разработаны обобщающие подходы к получению рациональной литой структуры с требуемым уровнем механических свойств без изменения процессов металлур гического и литейного циклов на основе исследований универсальных технологий модифи цирования и микролегирования, позволяющих получать разные типы и марки конструкци онных чугунов из расплава чугуна базового химического состава. Определены и исследова ны особенности комбинированных процессов модифицирования и микролегирования рас плава чугуна, обеспечивающие целенаправленное формирование рациональной литой струк туры 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 технологиче ского цикла.

2. Установлено и объяснено действие лантана в концентрации 0,0010-0,0016%, вводимо го в расплав чугуна с магнийсодержащим модификатором, оказывающего компенсирующее действие на процесс образования такого дефекта макроструктуры как усадочная пористость, и вызывающего торможение процесса образования вторичного графита, увеличение общего коли чества глобулей графита (в 1,75 раза по сравнению с чугуном, модифицированным магниевым модификатором без лантана), стабилизацию и последующее замедление роста первичного и вторичного графита, имеющего ярко выраженное бимодальное асимметричное статистическое распределение по диаметру включений.

3. Установлено влияние стадийности ввода бария в расплав чугуна на формирование ша ровидной правильной ШГф5 и шаровидной неправильной ШГф4 форм графита, соотношение перлитной/ферритной составляющей в металлической матрице и механические свойства ВЧШГ в отливке.

4. Обнаружено и объяснено влияние малых добавок стронция (0,0020-0,0033%) в СЧПГ с низким содержанием серы (до 0,05%) и высоким содержанием азота, обработанного цирконий содержащим модификатором (0,0033-0,0050%) на процесс формирования аномального распре деления графитных включений, предоставляющего собой объемно-неоднородную смешанную комбинацию распределений ПГр1, ПГр7, ПГр8 и ПГр9 в структуре отливки, вызванную локаль ным переохлаждением низкосернистого чугуна, обработанного стронцием. Несвязанный в сульфиды стронций подавляет процесс графитизации и нивелирует действие других графитизи рующих добавок, в частности, циркония (0,0033-0,0050%), связывающего растворённый азот в нитриды, являющиеся ЦКГ.

5. Установлен эффект от совместного влияния малых добавок Bi и Te (0,00125% Bi2Te для ВЧШГ и 0,00225% Bi2Te3 для СЧПГ) на количественно-морфологические характеристики шаровидного графита и регулирование соотношения перлита и феррита в металлической матри це чугуна при встречном модифицировании совместно с графитизирующим модификатором в зависимости от стадийности их ввода.

6. Определена зависимость контактной прочности СЧПГ от уровня его микролегирова ния марганцем и хромом, с учётом которой установлен сбалансированный диапазон содержания легирующих элементов-карбидообразователей: Mnизб%мас + 2Cr%мас = 1,5%, где Mnизб%мас – коли чество марганца, не связанного в сульфиды, учитывающее 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.

7. Установлена зависимость трещиностойкости СЧПГ от содержания углерода (3,35…3,59%) и кремния (1,46…2,17%) при неизменном углеродном эквиваленте (4,07%). Пока зано, что снижение содержания кремния в феррите перлита при одновременном увеличении свободного графита и сохранении углеродного эквивалента СЧПГ привело к повышению тре щиностойкости и износостойкости тяжелонагруженных деталей (тормозных дисков), работаю щих в условиях сухого абразивного износа и теплосмен (Т 600°С).

8. Определена зависимость износа СЧПГ от содержания в нём серы, имеющая хорошо выраженный минимум, обусловленный конкуренцией двух процессов: во-первых, усилением смазывающего эффекта с возрастанием объёмной доли сульфидов марганца и, во-вторых, появ лением охрупчивания при превышении размером сульфидных включений толщины графитных пластинок, что проявляется при увеличении содержания серы выше определённой концентра ции 0,12%.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. 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 техно логии «ковш с крышкой», «сэндвич»-процесс;

ЧВГ40, ВЧ50 технология «заливка сверху», «контейнерная» технология;

Gh75-50-03 технология модифицирования «тяжёлой» лигатурой на медной основе.

2. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получения отливок из ВЧШГ с использованием внутриформенного модифицирования внедрён сфероидизирующий модифика тор Lamet (ФСМг5,5Ла). По сравнению с типовым ФСМг7 магниевый модификатор с лантаном обеспечил в 1,75 раза большее количество глобулей графита. За счёт торможения лантаном про цесса выделения и роста графитных включений усадочная пористость в отливках из ВЧШГ снижена более, чем в 3 раза.

3. Разработана технологическая схема получения ЧВГ внутриформенным модифициро ванием РЗМ-содержащим безмагниевым модификатором, включающая проведение предвари тельной графитизирующей обработки, предшествующей основному модифицированию.

4. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» внедрена технология вторичного (позднего) модифицирования ВЧШГ брикетированными отсевами из ферросилиция с активны ми графитизирующими добавками и успешно опробована технология вторичного (позднего) модифицирования ВЧШГ литыми вставками. Внедрены брикеты из отсевов модификаторов ФС65Ба1 и ФС75.

5. Предложены универсальные технологические схемы получения СЧПГ в зависимости от содержания серы и габаритов получаемых отливок с использованием ковшевого и внутри форменного модифицирования. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получе ния отливок из серого чугуна с низким содержанием серы (Gh190) внедрён графитизирующий модификатор Barinok (ФС75Ба2,5), а для отливок с высоким содержанием серы (СЧ40) Superseed75 (ФС75Ст).

6. Разработаны технологии графитизирующего модифицирования СЧПГ и ВЧШГ (высо ких марок свыше ВЧ70) смесевыми комплексными модификаторами нового поколения. Для СЧПГ технология состоит из двух этапов предварительное графитизирующее модифицирова ние в ковше + последующее графитизирующее модифицирование в стояке формы;

для ВЧШГ технология включает только проведение поздней графитизирующей обработки чугуна в стояке формы.

7. В ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск) внедрено изготовление дисков переднего тормоза из чугуна Gh190 с содержанием серы 0,11…0,13% вместо 0,01…0,03%, что привело к значи тельному повышению их эксплуатационных свойств. Подобрана сбалансированная концентра ция серы в чугуне, обеспечивающая его наибольший ресурс в паре с материалом тормозной ко лодки. По результатам стендовых натурных испытаний при удовлетворительной трещиностой кости повышение эксплуатационного ресурса тормозных дисков составляет 40%, тормозных ко лодок 12%. При этом увеличена стойкость обрабатывающего инструмента более чем в 2 раза при содержании серы в чугуне свыше 0,08%.

8. Во вспомогательном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для новой перспективной моде ли на платформе С ВАЗ-2116 разработана конкурентоспособная технология получения отли вок «Кулак поворотный» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» из ВЧШГ ферритно го класса с высокими пластическими свойствами марки ВЧ40 взамен поковок из стали АЦ40ХГНМ.

9. Доказана практическая целесообразность использования модификатора для встречного модифицирования Glitter как дополнительной присадки к графитизирующим модификаторам, способствующей достижению требуемой литой структуры чугуна.

10. Результаты исследований внедрены в металлургическом производстве ОАО «АВТО ВАЗ», получено 11 актов внедрения с общим экономическим эффектом 60 млн. 918 тыс. рублей в текущих ценах 2005-2010 гг. Получено 3 патента: 2 на составы лигатур для модифицирова ния и легирования сплавов и 1 на состав антифрикционного чугуна.

На защиту выносятся:

1. Научные подходы получения всех типов графитизированных конструкционных чугу нов с требуемым уровнем механических свойств и рациональной литой структурой без измене ния процессов металлургического и литейного циклов.

2. Обоснование влияния лантана в составе магниевого модификатора на процесс графи тообразования и подавления усадочных процессов в структуре ВЧШГ.

3. Особенности формирования стабильной литой структуры ВЧШГ с требуемым уровнем механических свойств при варьировании стадийности ввода бария в составе модификатора в расплав чугуна.

4. Зависимость влияния увеличения содержания РЗМ в чугуне на морфологию графитных включений в ЧВГ. Особенности получения стабильной требуемой литой структуры ЧВГ с ис пользованием технологических методов на основе внутриформенного модифицирования и при меняемых для него составов модификаторов.

5. Особенности влияния смесевых комплексных модификаторов на графито-кремниевой основе с добавками магния и кальция на структурообразование и свойства СЧПГ и ВЧШГ при различных технологических схемах их введения в расплав.

6. Эффект совместного влияния поверхностно-активных элементов Bi и Te, входящих в состав модификатора для встречного модифицирования Glitter, на структурообразование и свойства чугуна. Зависимости влияния активных добавок (Ba, Ca, Zr, Sr, РЗМ) в графитизирую щих модификаторах на механические свойства и морфологию графита в чугуне.

7. Обоснование влияния содержания серы в СЧПГ на процессы получения требуемой ли той структуры в зависимости от массы, конфигурации и толщины стенки отливки.

8. Зависимости влияния структурных особенностей и химического состава СЧПГ для де талей, работающих в сухой абразивной среде при высоких температурах и нагрузках, на его эксплуатационные характеристики. Особенности влияния серы, марганца, хрома, молибдена, титана в СЧПГ на его износостойкость.

Достоверность. Достоверность полученных в работе результатов исследований обеспе чивается применением комплекса современного оборудования и типовых методик исследова ний, проведением всего объёма опытных работ непосредственно в условиях действующего чу гунолитейного производства, сравнением результатов лабораторных испытаний с результатами стендовых натурных испытаний, а также использованием методов статистической обработки ре зультатов экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докла дывались и обсуждались на II и III Всероссийских научно-технических конференциях «Совре менные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2003, 2004), XV и XVII Международных конференциях «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003;

Самара, 2009), II Международной научно-практической конференции «Материалы в авто мобилестроении» (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 20032004 гг., III и IV Междуна родных 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 спла вов» (Тольятти, 2006), XVI Петербургских чтениях по прочности, посвящённых 75-летию со дня рождения В. А. Лихачёва (Санкт-Петербург, 2006), VI, VIII и IX Всероссийской научно практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006, 2010, 2112), II Литейном консилиуме «Теория и практика металлургических процессов при про изводстве отливок из чёрных сплавов» (Миасс, 2006).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих ведущих ре цензируемых научных журналах и изданиях, входящих в список ВАК: «Тяжёлое машинострое ние», «Литейное производство», «Заготовительные производства в машиностроении», «Литей щик России», «Металлург», «Вестник машиностроения», «Автомобильная промышленность», «Металлургия машиностроения».

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 58 печатных работах.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав (включая заключе ние), изложена на 332 страницах, включая 142 рисунка, 111 таблиц, список литературы из источника и приложений (акты внедрения, патенты, удостоверение на рацпредложение) на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика, обоснована актуальность, сформулиро ваны цель и задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы, перечис лены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава является аналитическим обзором и содержит сведения о процессах и механизмах формирования структуры и свойств графитизированных чугунов.

Из аналитического обзора следует, что для объяснения эффекта модифицирования разработано несколько теорий, включая теорию образования карбида кремния, солеобразных карбидов и сульфидов/карбидов («карбидный эффект»). Все они основаны на предположе нии о том, что в смешанном гетерогенно-гомогенном механизме зарождения графитной фа зы в чугуне, превалирующую роль играет именно гетерогенная графитизация на продуктах реакции примесей с Ca, Al, Zr, Sr, Ba, Mg, РЗМ (редкоземельные металлы). Максимальный эффект модифицирования проявляется непосредственно после введения модификатора.

Продолжительность действия модификатора зависит от его состава и, как правило, очень мала, в результате чего эффективность модифицирования со временем значительно снижает ся. Вследствие малой продолжительности действия модификатора степень переохлаждения в процессе эвтектической кристаллизации возрастает из-за повышения температуры ликвиду са, что способствует появлению отбела во всех типах чугунов (СЧПГ, ЧВГ, ВЧШГ). При этом особенно снижается количество шаровидного и вермикулярного графита, ухудшается его форма, что приводит к снижению механических свойств получаемых отливок. В настоя щее время до сих пор отсутствует чёткое понимание реальных процессов, влияющих на ре зультаты модифицирования;

сформулированы лишь общие положения, учитывающие дейст вия отдельных механизмов и не являющиеся практическим руководством к действию. Ни одна теоретическая модель не позволяет подобрать наиболее эффективный модификатор, что требует проведения многочисленных экспериментов. Основная сложность на пути полу чения заданной структуры чугуна путём модифицирования и микролегирования заключается в том, что в существующих теориях, как правило, не учитывается комбинированное дейст вие различных технологических параметров на формирование структуры. Именно поэтому одним из наиболее актуальных направлений изучения вклада технологий модифицирования и микролегирования чугунов в формирование их структуры и свойств, реализуемых в дан ной работе, является разработка общих подходов к обеспечению необходимой структуры чу гунов на основе учёта комбинированного воздействия различных технологических парамет ров на процессы структурообразования при модифицировании и микролегировании чугунов.

Во второй главе приведено описание использованного в работе экспериментального и аналитического оборудования, методического обеспечения, материалов и образцов.

Исследуемые в работе материалы (модификаторы, лигатуры) и способы модифициро вания (микролегирования) приведены в табл. 1.

Опытные плавки проводили на следующем оборудовании металлургического произ водства ОАО «АВТОВАЗ»: «дуплекс»-процесс электродуговая плавильная печь LBS- или 6ДСП-40 + индукционная тигельная печь LFD-20 или индукционная канальная печь LFR-45;

индукционная тигельная печь-ковш ИСТ-0,4;

формовочно-заливочные линии SPO, Georg Fisher, DISA. В работе использовали следующее лабораторное испытательное обору дование: разрывные машины AMSLER 20ZBDA и TiraTest 2300 (определение временного сопротивления на разрыв в и относительного удлинения );

твердомер ТБ 5006 (определе ние твёрдости по Бринеллю);

спектроанализатор Quantovak ARL 2460;

газоанализатор Leko CS-400;

ICP-спектрометр Liberty Series ф. Varian;

спектрограф Spectruma GDA-750 (опреде ление химического состава);

металлографический световой микроскоп UNIMET 8585, ф.

Бюллер;

электронный сканирующий микроскоп LEO 1455 VP с блоком рентгеновского энер гетического спектрометра INCA Energy-300 (анализ микроструктуры и графитных включе ний);

металлографический световой микроскоп ф. Zeiss;

инерционный динамометрический однопозиционный стенд LR.0.016;

электрогидравлические стенды МИ1ГЦ5.2К и MTS- (стендовые натурные испытания);

универсальная машина для испытаний на трение и износ (лабораторные испытания на трение и износ).

Таблица Исследуемые материалы для модифицирования и микролегирования чугунов Способ модифицирования/ № Материалы Химический состав, %масс Фракция микролегирования п/п Ni-Mg-РЗМ Cu-Mg-РЗМ, Cu-Ni-Mg-РЗМ, Mg 14-17;

РЗМ 0,4-0,6;

основа остальное 2-6 кг Ковшевое модифицирование ВЧ 1 Fe-Ni-Mg-РЗМ, Fe-Ni-Cu-Mg-РЗМ, Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ ФСМг6 Si 44-48;

Mg 5,5-6,2;

РЗМ 0,8-1,2;

Ca 0,8-1,2;

Ковшевое модифицирование ВЧ:

Al 1,0;

Fe остальное «заливка сверху», «контейнерная тех 4-32 мм 2 нология, «сэндвич»-процесс, «ковш с Lamet5836 Si 44-48;

Mg 5,55-6,15;

La 0,35-0,55;

Ca 0,8-1,2;

(ФСМг6Ла) Al 0,4-1,0;

Fe остальное крышкой» Si 44-48;

Mg 5,0-6,0;

РЗМ 5,5-6,5;

Ca 1,8-2,3;

Compaktmag Al 1,0;

Fe остальное (ФСМг5,5РЗМ6), Ковшевое модифицирование ЧВГ («за 1-5 мм 3 ФСМг4,5РЗМ4,5 Si 45-55;

Mg 3,0-5,5;

РЗМ 0,4-7,0;

Ca 0,5-5,5;

ливка сверху») Al 1,0-5,0;

Fe остальное Внутриформенное модифицирование Si 44-48;

Mg 5,0-6,0;

La 0,25-0,40;

Ca 0,4-0,6;

1-4 мм 4 Lamet (ФСМг5,5Ла) Al 0,8-1,2;

Fe остальное ВЧ Si 45-55;

Mg 5,8-6,3;

РЗМ 1,2-1,5;

Ca 0,4;

Al 1,2;

Внутриформенное модифицирование 1-4 мм ФСМг6РЗМ1, 5 Fe остальное ЧВГ Внутриформенное модифицирование Si 30-55;

РЗМ 20-30;

Ca 0,4;

Al 1,0;

1-4 мм ФС50РЗМ20 ЧВГ с предмодифицированием ФС в 6 Fe остальное чаше формы 1-5 мм Первичное модифицирование Si 45-60;

Ва 20-25;

Ca 3;

Al 3;

Fe остальное ФС55Ба 150-200 г Вторичное модифицирование С 52-62;

Si 20-28;

Ca, Al, Cu, РЗМ, Fe остальное МК21, Графитизирующее модифицирование МККа21, ВЧ в стояке формы С 52-62;

Si 20-28;

Ca 5-12;

Al, Cu, РЗМ, Fe ос 7-30 мкм тальное Комбинированное графитизирующее МКМг19 С 52-62;

Si 20-28;

Mg 2-7;

Ca, Al, Cu, РЗМ, Fe модифицирование СЧ в ковше и стояке формы остальное Si 74-78;

Fe остальное БрФС75, Вторичное графитизирующее модифи 0-1, 0-4, БрФС65Ба1, Si 60-70;

Ва 0,5-2,0;

Al 3;

Fe остальное 9 1-4, 1-5 мм цирование (в чаше или внутри формы) БрФС65Ба4 Si 60-70;

Ва 2,0-5,0;

Al 3;

Fe остальное Модификатор Glitter Ковшевое встречное модифицирование для встречного мо 10 Bi 50;

Te ВЧ и СЧ дифицирования для ВЧ (Гермалой): Si 70-78;

Ca 0,3-1,5;

Al 3,2-4,5;

РЗМ 0,5;

Fe остальное Вторичное графитизирующее модифи 110 г (0,1%) Литые вставки 11 для СЧ (Оптигран): Si 70-78;

Ca 0,3-1,4;

Al 0,8-1,8;

цирование ВЧ и СЧ Mn 3,5-4,5;

РЗМ 0,5;

Fe остальное Si 73-78;

Sr 0,6-1,0;

Zr 1,0-1,5;

Al 0,5;

Ca 0,1;

Superseed Extra Fe остальное (ФС75СтЦр), Si 73-78;

Sr 0,6-1,0;

Al 0,5;

Ca 0,1;

Superseed75 Ковшевое графитизирующее модифи 1-5 мм 12 Fe остальное (ФС75Ст), цирование СЧ Barinok Si 72-78;

Ва 2,0-3,0;

Ca 1,0-2,0;

Al 1,5;

(ФС75Ба2,5) Fe остальное ФСу, Ферросера 25 или 30, ФМн, Ферромарганец 70, 78 или 88, Печное микролегирование СЧ ФХ Феррохром Третья глава посвящена обеспечению стабильности структуры и свойств чугунов с компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ), получаемых при ковшевом модифицировании «тяжё лыми» и «лёгкими» магниевыми лигатурами. Изучена эффективность известных и разрабо танных составов «тяжёлых» лигатур (медь-магний-РЗМ, медь-никель-магний-РЗМ, железо никель-магний-РЗМ, железо-никель-медь-магний-РЗМ и железо-кремний-медь-магний-РЗМ) в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» на примере получения отливок «Вал ко ленчатый» всех моделей из ВЧШГ марки Gh75-50-03 (в 738 МПа, 3%, НВ 250-302).

Исследовано влияние разработанных с использованием базы существующего производст венного оборудования без его обновления и принципиального изменения технологических схем ковшевого модифицирования средних (Gh56-40-05 (в 549 МПа, 5%, НВ 180-250), Gh65-48-05 (в 638 МПа, 5%, НВ 190-280)) и низких марок ВЧШГ (ВЧ50: в 500 МПа, 7%, НВ 170-220) и ЧВГ (ЧВГ40: в 400 МПа, 1%, НВ 210-285) на получение тре буемых показателей структуры и свойств.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием «тяжёлых» лигатур для ковшевого модифицирования и микролегирования. Ввиду стремительного роста цены на ни кель для экономного сфероидизирующего ковшевого модифицирования и микролегирования чугуна проведены исследования целесообразности перехода с никелевой лигатуры на мед ную, а также использования различных комбинированных лигатур на её основе.

Провели исследование эффективности для модифицирования ВЧШГ «тяжёлой» лига туры на чисто медной основе (в объёме 8 плавок по 20 т), а затем на никелевой и медной основах, разбавленных более дешёвыми элементами (Fe, Si) (в объёме 1 плавки по 20 т) с учётом их влияния на требуемый диапазон содержания магния (14…17%). Установлен ков шевой расход (0,83%) «тяжёлой» лигатуры Cu-Mg-РЗМ следующего химического состава:

Mg 14...17%;

РЗМ 0,4…0,6%;

Cu остальное. По сравнению с расходом лигатуры Ni-Mg РЗМ 0,45%, имеющей аналогичное содержание магния и РЗМ, расход лигатуры Cu-Mg РЗМ выше в 1,85 раза. Однако принимая во внимание в 3-4 раза меньшую стоимость меди, по сравнению с никелем, технология обработки расплава чугуна лигатурой Cu-Mg-РЗМ в 1,5-2 раза дешевле, чем лигатурой Ni-Mg-РЗМ. Кроме того, назначаемая температура норма лизации отливок, полученных с помощью лигатуры Cu-Mg-РЗМ, в среднем на 40°С ниже (870°С), чем для получаемых с лигатурой Ni-Mg-РЗМ (910°С). Нормализация при темпера туре 870°С, по сравнению с литым состоянием, позволила получить требуемую прочность чугуна (844-903 МПа), сформировать более однородную перлитную структуру, устранила скопления свободного феррита вокруг графита («бычий глаз»), снизила общее содержание свободного феррита с 5-12% до 4-5% без снижения относительного удлинения (3,6%) при обеспечении необходимой твёрдости чугуна (НВ 269-298). Таким образом, на основании вы полненных исследований установлено, что использование экономичной лигатуры Cu-Mg РЗМ взамен Ni-Mg-РЗМ для получения ВЧШГ обеспечивает формирование рациональной структуры, а количество опытных плавок подтверждает стабильность структуры и свойств.

При ведении плавки на обогащённом медью возврате собственного производства уста новили, что для достижения требуемых показателей механических свойств и параметров микроструктуры отливок, содержание никеля и марганца в расплаве может быть уменьшено.

Совокупный прирост меди из возврата и лигатуры до концентрации 1% позволяет полно стью скомпенсировать снижение, а затем и полное отсутствие никеля при поддержании со держания марганца в расплаве 0,25…0,35%. По результатам проведённых исследований ли гатуры Cu-Ni-Mg-РЗМ, имеющей следующий химический состав: Ni 25%;

Mg 17,1%;

РЗМ 1,07%;

Cu остальное, установлено, что она может быть использована в качестве переход ного варианта для плавной, постепенной отработки технологического процесса сфероидизи рующего модифицирования при замене лигатуры Ni-Mg-РЗМ на Cu-Mg-РЗМ. Виду того, что изначально влияние перехода на «тяжёлую» лигатуру с иной металлической основой неиз вестно и может вызвать отклонения по структуре и свойствам, предложили пошаговую за мену лигатуры Ni-Mg-РЗМ на Cu-Mg-РЗМ при параллельной корректировке химического состава чугуна в печи. Установили, что экономичная лигатура Cu-Ni-Mg-РЗМ так же как и Cu-Mg-РЗМ, но в меньшей степени из-за присутствия никеля обеспечивает формирование рациональной структуры ВЧШГ. Характеризуемая структура и уровень механических свойств отливок, отобранных от опытной плавки (20 т), подтверждают их стабильность.

Исследовали влияние железа как более дешёвой добавки на эффективность работы «тяжёлых» лигатур на лигатурах с никелевой (Fe-Ni-Mg-РЗМ: Fe 18…22%;

Mg 14...17%;

РЗМ 0,4…0,6%;

Ni остальное) и медь-никелевой (Fe-Ni-Cu-Mg-РЗМ: Fe 18…22%;

Cu 8…12%;

Mg 14...17%;

РЗМ 0,4…0,6%;

Ni остальное) основах. Результаты испытаний пока зали худшее усвоения магния расплавом чугуна из «тяжёлой» лигатуры Fe-Ni-Cu-Mg-РЗМ по сравнению с лигатурой Fe-Ni-Mg-РЗМ. Более низкое усвоения магния, оцениваемое по степени сфероидизации графита в микроструктуре чугуна (ССГ), из лигатуры Fe-Ni-Cu-Mg РЗМ (ССГ 40-70%), по сравнению с Fe-Ni-Mg-РЗМ (ССГ 50-70%), обусловлено её большей легкоплавкостью. При этом увеличение навески на 20% не обеспечило улучшения ССГ. По лученные результаты показывают нестабильность усвоения магния из опытных железосо держащих «тяжёлых» лигатур, которая объясняется следующим. Магний не растворим в же лезе, однако при одновременном сплавлении с ним железа и меди (никеля), он образует с ними насыщенные твёрдые растворы, характеризующиеся низкой температурой плавления, что отрицательно влияет на усвоение из них магния расплавом чугуна. Также следует отме тить высокую склонность магния к ликвации: из-за его низкой плотности основное его со держание сосредотачивается в верхних слоях слитка лигатуры, а нижние слои оказываются обеднёнными по магнию. В исследованных «тяжёлых» лигатурах железо использовалось для повышения общей температуры плавления сплава за счёт образования твёрдых растворов железа с медью и железа с никелем, имеющих более высокие температуры плавления, чем у чистой меди и никеля. Однако по результатам исследований, ожидаемый ощутимый поло жительный эффект «условной тугоплавкости» не выявлен.

По результатам апробации «тяжёлых» лигатур Fe-Ni-Mg-РЗМ и Fe-Ni-Cu-Mg-РЗМ оп ределили влияние железа на растворимость магния и при освоении производства «тяжёлой» лигатуры «железо-кремний-медь-магний-РЗМ» предложили следующий сбалансированный химический состав: Fe 8…11%, Si 11…14%, Mg 14…17%, РЗМ 0,9…1,2%, Cu остальное.

Данная лигатура наиболее экономична из всех «тяжёлых» лигатур. В общем случае, железо отрицательно влияет на растворимость магния, вытесняя его из расплава и увеличивая его ликвацию. Однако в указанных пределах железо не оказывает ощутимого влияния на рас творимость магния в лигатуре и служит относительно тугоплавкой добавкой, повышающей её общую температуру плавления. Кремний при данном содержании в лигатуре несколько улучшает усвоение в ней магния, компенсируя его вытеснение железом и служит охрупчи вающей добавкой, улучшающей дробление лигатуры. По результатам исследований струк туры и свойств отливок (перлитная структура без сплошной толстой ферритной оторочки вокруг графитных включений («бычий» глаз), в = 873 МПа, = 6%) установили идентичную эффективность лигатур Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ и Cu-Mg-РЗМ. На основании выполненных иссле дований установлено, что использование экономичной лигатуры Fe-Si-Cu-Mg-РЗМ взамен Ni-Mg-РЗМ для получения ВЧШГ обеспечивает формирование рациональной структуры.

Характеризуемая структура и уровень механических свойств отливок, отобранных от опыт ной плавки (20 т), подтверждают их стабильность. Условная схема влияния железа, магния и температуры плавления «тяжёлой» лигатуры на её расход приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема влияния железа, магния и температуры плавления на расход «тяжёлой» лигатуры На основе проведённых исследований сформулировали общие рекомендации к разра ботке химического состава «тяжёлых» магнийсодержащих лигатур, заключающиеся в опре делении наиболее экономичной металлической основы (Cu), хорошо растворяющей магний, и других добавок, дополнительно снижающих её стоимость (Fe, Si) и улучшающих техноло гические свойства (Si), в частности, дробимость, при сбалансированном подборе их совмест ного содержания относительно заданного диапазона содержания магния.

Исследование влияния технологий модифицирования ВЧШГ «лёгкими» лигатурами на формирование его структуры и свойств. Проведена апробация разработанных технологий ковшевого модифицирования на основе «сэндвич»-процесса, органично вписывающихся в существующую схему производства чугунного литья с задействованием имеющегося базо вого оборудования и оснастки, с использованием «лёгких» лигатур типа ФСМг на структу рообразованием и свойства ВЧШГ.

На первом этапе опытных работ провели исследование структуры и свойств ВЧШГ, полученных по видоизмененной основной схеме «сэндвич»-процесса с учётом конструкции базовых ковшей металлоёмкостью 1,2 т, имеющих характеристическое соотношение 1,4:1, учитывая, что «сэндвич»-процесс рекомендуется для модифицирующей обработки ВЧШГ в открытых ковшах, имеющих характеристическое соотношение (отношение высоты ковша к его среднему диаметру) 2…2,5:1. Опытные работы проводили с использованием «лёгких» лигатур марок ФСМг6 и Lamet5836 (ФСМг6Ла).

На практике при опробовании всех разработанных технологических схем многократно подтверили принципиальную невозможность стабильного модифицирования ВЧШГ по «сэндвич»-процессу в открытых серийных заливочных ковшах с самой различной конструк цией и расположением реакционного кармана для размещения модификатора, выражаю щуюся в получении ВЧШГ с нарушением ССГ ( 90%). Анализ всех трёх способов модифи цирования ВЧШГ, созданных на базе «сэндвич»-процесса, показывает, что из-за увеличения времени технологического цикла, связанного с обслуживанием ковшей с изменённой конст рукцией футеровки, они успешно могут быть применены в мелкосерийном производстве для изготовления опытных отливок из ВЧШГ со ССГ 90%. Для первичного опробования на этапе изготовления опытных образцов высоконагруженных деталей шасси «Кулак поворот ный» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» для новой модели ВАЗ-2116, рабо тающих в условиях знакопеременного нагружения, и оценки их работоспособности в качест ве материала выбрали ВЧШГ на ферритной основе марки ВЧ40. В качестве критериев оцен ки материала опытных отливок определены: металлическая основа феррит;

относительное удлинение 15%. Для стабильного ведения процесса изготовления отливок разработали рекомендации к используемым шихтовым материалам, углеродному эквиваленту чугуна в печи и в ковше.

Установлено, что полученный ВЧШГ по разработанной и опробованной технологиче ской схеме подготовки расплава и последующего модифицирования для условий единичного и мелкосерийного производства соответствует марке ВЧ40 (в = 451-491 МПа, = 15,0 24,4%;

НВ 170-185). Для изготовления отливок со стабильными показателями структуры и свойств сформулировали комплексные рекомендации для промышленного использования разработанной технологии, касающиеся допустимого уровня примесей в шихтовых материа лах (передельный чугун с низким (до 0,01%) содержанием серы, нелегированные стальные отходы (типа КСО-А), использование только собственного возврата), способа сфероидизи рующего модифицирования чугуна, назначения вида термообработки в случае использова ние в составе шихты легированных стальных отходов.

Установлено, что при существующем характеристическом соотношении в ковше 1,4:1 устойчивость технологического процесса модифицирования ВЧШГ с целью формиро вания ССГ 90% может быть обеспечена только путём его усовершенствования, дооснаще ния и в итоге трансформации в процесс «ковш с крышкой». По технологии «ковш с крыш кой» «лёгкую» лигатуру размещали на днище ковша в его носковой части, а крышку уста навливали таким образом, чтобы верхнее отверстие заливочной воронки для заливки распла ва чугуна располагалось диаметрально противоположно носку ковша. Данная технология, опробованная при изготовлении опытной плавки (20 т) обеспечивает стабильное получение структуры и свойств отливок из средних марок ВЧШГ, например, Gh56-40-05, Gh65-48- (перлито-ферритная металлическая матрица, ССГ 90%, НВ 180-249). Структура отливок, изготовленных по технологии «ковш с крышкой» с использованием экономичной «лёгкой» лигатуры Lamet 5836 (ФСМг6Ла) по сравнению с базовой технологией ковшевого модифи цирования «тяжёлой» лигатурой Ni-Mg-РЗМ, является рациональной.

По результатам опытных работ доказано, что при изготовлении отливок из более низ ких марок ВЧШГ до ВЧ50 включительно могут быть использованы более простые по сравнению с «сэндвич»-процессом технологии для открытого ковша «заливка сверху» и «контейнерная» технология. Полученные структура и свойства в опытных отливках: для ЧВГ40 перлито-ферритная металлическая матрица, преобладание вермикулярного графита над шаровидным, НВ 187-239), для ВЧ50 перлито-ферритная металлическая матрица, ССГ 80%, НВ 170-229). По сравнению с базовой технологией получения ВЧШГ «тяжёлой» ли гатурой Ni-Mg-РЗМ структура отливок, изготовленных с применением экономичной «лёг кой» лигатуры Lamet 5836 (ФСМг6Ла) по технологии «заливка сверху» и «контейнерной» технология является рациональной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенных опытных партий, состоящих из 18 опытных плавок по 20 т каждая.

Формирование структуры и свойств ЧВГ с использованием технологии ковшевого мо дифицирования «лёгкими» лигатурами. Установлено влияние на стабильность графитообра зования баланса содержания функционально значимых элементов (Mg, Ca и РЗМ) в составе специальных модификаторов для получения ЧВГ. На основе анализа результатов сравни тельных испытаний двух модификаторов ФСМг4,5РЗМ4,5 и Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6) на чугуне марки ЧВГ40 показано, что химический состав модификатора Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6) несбалансирован по сравнению с составом модификатора ФСМг4,5РЗМ4,5.

Это выражается нестабильностью образования и неоднородностью распределения вермику лярного графита по длине отливки, и связано с повышенным содержанием в составе моди фикатора магния, РЗМ и кальция.

По результатам проведённых исследований установили расход модификатора Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6) 3,6 кг на 1200 кг чугуна (0,3%), позволяющий получать ЧВГ, с содержанием в микроструктуре шаровидного графита не более 40%. При меньшем расходе данного модификатора в микроструктуре чугуна начинает появляться пластинчатый графит.

Пропорциональное изменение содержания магния и РЗМ в модификаторе не эквивалентно пропорциональному изменению его расхода. Это подтверждает тот факт, что 5 кг модифика тора ФСМг4,5РЗМ4,5 обеспечивают лучшее структурообразование и формирование свойств ЧВГ (перлит, феррита не более 20%, вермикулярный графит, шаровидного графита не более 15%, НВ 229-239), чем 3,7-4,5 кг модификатора Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6) (перлит, фер рит 5-30%, вермикулярный и шаровидный графит при содержании последнего от 3 до 60%, НВ 217-275). То есть, в составе специализированного модификатора для получения ЧВГ должно содержаться около 4,5% магния и РЗМ и строго ограниченное содержание кальция ( 0,7%) и алюминия ( 0,7%). В отливках «Вал распределительный», изготовленных с ис пользованием более экономичной «лёгкой» лигатуры ФСМг4,5РЗМ4,5 по сравнению с «лёг кой» лигатурой Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6) полученная структура может считаться рацио нальной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их по лучением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенных опытных партий, состоящих из 17 опытных плавок по 20 т каждая.

Таким образом, установлены особенности и закономерности получения ВЧШГ и ЧВГ в отливках из основных марок 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. Установлено, что из расплава чугуна одного и того же химического состава возможно получение нескольких марок чугунов за счёт применения различных модифицирующих материалов и технологий модифицирования.

Четвёртая глава посвящена формированию стабильных показателей структуры и свойств чугунов с компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ) при внутриформенном модифици ровании «лёгкими» магниевыми лигатурами на ферросилициевой основе.

Исследование влияния технологии внутриформенного модифицирования ВЧШГ «лёг кими» лигатурами на формирование его структуры и свойств. Показано, что использование типового ферросиликомагния (ФСМг7) в качестве сфероидизирующей добавки при модифи цировании в форме, имеет ряд недостатков, в числе которых повышение склонности к об разованию такого дефекта макроструктуры как усадочная пористость и наличие в микро структуре чугуна шлаковых включений ввиду затруднённости их вывода за пределы литни ковой системы (рис. 3).

Известно, что добавки РЗМ в качестве дополнения к магнию, способствуют росту гра фита более правильной формы и повышают стабильность модифицирующего эффекта. Од нако особенности влияния РЗМ в составе магниевого модификатора описаны по результатам исследования мишметалла смеси, содержащей около 50% Ce, 25% La, 15% Nd и 10% Pr.

Влияние конкретных РЗМ в составе магнийсодержащих модификаторов на структурообра зование ВЧШГ до сих пор остаётся недостаточно изученным. Лантан по сравнению с други ми РЗМ обладает более слабым карбидообразующим и сфероидизирующим действием в чу гуне. Выдвинули предположение, что лантан в качестве дополнительной добавки к магнию, снижающей его активность, способен пролонгировать реакцию модификатора с расплавом и процесс графитообразования, что может снизить склонность чугуна к усадке. Результаты ис пытаний показали, что процент брака отливок по такому дефекту макроструктуры как уса дочная пористость при использовании модификатора Lamet (ФСМг5,5Ла) (0,19%, при кон центрации лантана 0,0010-0,0016%) более чем в 3 раза ниже, чем с модификатором ФСМг (0,62%). Визуальная оценка состояния поверхности отливок показывает её более высокую чистоту, отсутствие шлаковых дорожек. По сравнению с модификатором, содержащим мишметалл, Lamet (ФСМг5,5Ла) обеспечил количество глобулей шаровидного графита больше в 1,75 раза. При использовании модификатора Lamet (ФСМг5,5Ла) в микроструктуре чугуна образуются конгломераты из крупных глобулей первичного графита и большого ко личества мелких глобулей вторичного графита с ярко выраженным бимодальным асиммет ричным статистическим распределением диаметров графитных включений (рис. 4, 5).

Влияние лантана в составе магниевого модификатора на процесс графитообразования и подавление усадочных процессов в ВЧШГ заключается в следующем. Лантан оказывает влияние как на увеличение ЦКГ в расплаве, так и на замедление скорости их роста из жидко сти (первичный графит) и аустенита (вторичный графит). После выделения из жидкости цен тров кристаллизации первичного графита происходит их замедленный рост через аустенит ную оболочку. При дальнейшем остывании из насыщенной углеродом аустенитной матрицы на существующих ЦКГ начинает выделяться большое количество мелких глобулей вторич ного графита. Ввиду присутствия в чугуне конгломератов из глобулей первичного графита с большим количеством глобулей вторичного графита повышается их способность к коагуля ции (сгущению). 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 (при получе нии с использованием ФСМг5,5Ла отливок «Направляющая колодок переднего тормоза» из ВЧШГ марки Gh56-40-05: в = 589-657 МПа, = 5-6%, НВ 198-249). В отливках «Направ ляющая колодок переднего тормоза», изготовленных с использованием «лёгкой» лигатуры Lamet (ФСМг5,5Ла) по сравнению с исходной «лёгкой» лигатурой ФСМг7, равных по стои мости, структура имеет пониженный в 2,75 раза уровень брака по усадочной пористости и является рациональной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтвер ждается их получением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенной опыт ной партии, состоящей из 5 опытных плавок по 20 т каждая.

(а) (б) Рис. 3. Усадочная пористость в отливке «Направляющая колодок переднего тормоза», модифицированной ФСМг7 (а внешний вид с поверхности отливки, б раскрытая усадочная раковина в попереч ном поверхности сечении) (а) (б) Рис. 4. Морфология графита (а, 1000,5) и микроструктура отливки (б, 5000,5) «Направляющая колодок передне го тормоза», внутриформенное модифицирование Lamet (ФСМг5,5Ла) (в) Рис. 5. Гистограмма размерного распределения включений графита в отливке «Направляющая колодок переднего тормоза», внутриформенное модифицирование Lamet (ФСМг5,5Ла) Формирование структуры и свойств ЧВГ с использованием технологии внутрифор менного модифицирования «лёгкими» лигатурами. Установлено, что при получении ЧВГ внутриформенным модифицированием, в отличие от ковшевого, перемешивание расплава существенно хуже и в результате полноценного равномерного перераспределения компонен тов чугуна не происходит, развивается расслоение шаровидного и вермикулярного графита.

Дополнительным фактором, ухудшающим структурообразование, является использо вание в качестве материала для внутриформенной обработки ЧВГ модификатора с относи тельно высоким содержанием магния (свыше 6,5%) и низким содержанием РЗМ (менее 0,8…1,0%) в количестве, недостаточным для получения необходимой ССГ.

Все вышеуказанные недостатки наиболее ярко выражены при получении длинномер ных отливок (при соотношении среднего диаметра к длине 1:15). Структура, получаемая в отливках из ЧВГ при модифицировании по технологии внутриформенного модифицирова ния, отличается от регламентируемой для ЧВГ не только количеством шаровидного графита (ШГ более 40%), но и его распределению по сечению и длине отливки. При использовании ферросиликомагния (модификатора ФСМг7, среднее содержание магния 7%, РЗМ 0,5%) для формирования вермикулярной формы графита за счёт эффекта недомодифицирования в микроструктуре отливки наблюдаются следующие отклонения.

Во-первых, имеет место морфологическое расслоение графита по высоте сечения от ливки (рис. 6): в верхней половинке отмечается наличие преимущественно шаровидного графита, а в нижней преимущественно вермикулярного.

верхняя верхняя полуформа полуформа нижняя нижняя полуформа полуформа а) (б) Рис. 6. Общий вид расслоения графита (а) и его граница в серийной отливке «Вал распределительный» (б, 1000,5), полученной при внутриформенном модифицировании ФСМг Расслоение графита по высоте сечения объясняется тем, что расплав при затекании в полость формы в процессе реакции с модификатором в реакционной камере плохо переме шивается, и магний, имеющий малый удельный вес (1,7 г/см3), всплывает в верхнюю часть отливки, вызывая, тем самым, образование в ней преимущественно шаровидной формы гра фита. Такая особенность распределения графита по сечению отливки провоцирует при свер лении внутреннего отверстия увод пушечного сверла в её нижнюю, более мягкую часть. При этом разброс по твёрдости между верхней и нижней половинками сечения отливки составля ет в среднем 20…25 НВ.

Во-вторых, имеет место неоднородность структуры по длине отливки, что вызывает значительный разброс по твёрдости (от 12 до 56 НВ) между 1-м (структура с преобладанием вермикулярного графита ВГф2, ВГф3 над шаровидным) и 8-м (структура с шаровидным графитом ШГд25, ШГд18) кулачком.

В-третьих, из-за относительно высокого содержания в модификаторе шлакообразую щего элемента кальция и несколько завышенного содержания магния микроструктура чу гуна загрязняется шлаковыми включениями (рис. 7, а). Один из характерных дефектов де тально исследован с помощью электронного рентгеноспектрального микроанализа (рис. 7, б). Из анализа спектра видно, что шлаковые включения представляют собой конгломераты комплексных оксидов магния и кальция (7, в).

Известно, что РЗМ являются наилучшими стабилизаторами вермикулярной (при по вышенном содержании РЗМ и пониженном содержании магния) и шаровидной (при пони женном содержании РЗМ и повышенном содержании магния) форм графита в чугуне. При этом следует учитывать, что содержание РЗМ в модификаторе ограничивается их высокой стоимостью и антиграфитизирующими свойствами. Сущность проводимых работ по совер шенствованию состава модификатора для внутриформенной обработки чугуна с целью по лучения преимущественно вермикулярной формы графита заключалась, как и при ковшевом модифицировании, в установлении сбалансированных концентраций магния и РЗМ. При подборе рецептуры за основу принимали типовой модификатор ФСМг7, в химическом со ставе которого постепенно повышали содержание РЗМ и снижали содержание магния. При этом содержание графитизирующих элементов (Ba, Ca, Al), входящих в состав модификато ра для внутриформенного модифицирования, максимально ограничивали из-за их склонно сти к шлакообразованию и скоплению образовавшихся включений преимущественно на гра ницах зёрен, учитывая отсутствие возможности проведения операции шлакоудаления.

(а) (б) (в) Рис. 7. Газошлаковые раковины (а, 100,5) в поверхности излома фрагмента отливки «Вал распределительный» и результаты рентгеноспектрального микроанализа включения вблизи газошлаковых раковин (а): электронно микроскопический снимок (б);

рентгеновский спектр (в) Для проведения исследований по повышению качества отливок из ЧВГ изготовили специальный модификатор ФСМг6РЗМ1,5 с содержанием магния 5,8…6,3%, РЗМ 1,2…1,5% и кальция до 0,4%. Перлито-ферритная структура ЧВГ во всех опытных отливках характе ризуется наличием 90% вермикулярного графита при однородном его распределении, как по сечению, так и по длине отливки и обеспечивает следующие механические свойства: в = 476-500 МПа, = 1,2-1,6%, НВ 229-255. В отливках «Вал распределительный», изготовлен ных с использованием «лёгкой» лигатуры ФСМг6РЗМ1,5 по сравнению с исходной «лёгкой» лигатурой ФСМг7 структура является рациональной, так как при сопоставимой стоимости данных «лёгких» лигатур исключён брак по механической обработке. Достижение стабиль ных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отлив ках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Для установления влияния технологических особенностей внутриформенного моди фицирования сплавами системы Fe-Si-РЗМ с различным содержанием РЗМ на получение ЧВГ в отливках проводили изготовление опытных отливок с использованием модификато ров ФС40РЗМ10 и ФС50РЗМ20. Анализ микроструктуры опытных отливок, полученных с ФС40РЗМ10, показал постоянно присутствующие распределения графита ПГр1 и ПГр9, а в 8-м кулачке, куда поступают первые порции расплава чугуна с повышенной концентрацией модификатора, присутствует и распределение ПГр7. Микроструктура отливок полностью представлена пластинчатым перлитом. Следовательно, при концентрации РЗМ в расплаве 0,04%, даже принимая во внимание концентрационный перепад по длине отливки, вермику лярная форма графита ещё не образуется.

Однако присутствие в микроструктуре 8-го кулачка крупнорозеточного распределения графита показывает наличие первой стадии процесса формирования вермикулярного графи та. Относительно низкая твёрдость отливки (до 163 НВ), учитывая её полностью перлитную структуру, позволяет сделать вывод о графитизирующем и смягчающем действии малых до бавок РЗМ (до 0,04%) в чугуне. Анализ микроструктуры опытных отливок, залитых с ФС50РЗМ20, показал, что графит в отливке практически полностью представлен вермику лярной формой, а в объёме 8-го кулачка, обогащённого РЗМ, присутствуют соседствующие области мелкодисперсного междендритного распределения графита и полностью безграфит ные области с включениями свободного цементита. Микроструктура отливок состоит из пластинчатого перлита с равномерно распределёнными включениями цементита (Ц10-15).

Концентрация РЗМ в расплаве 0,075% позволила получить полностью вермикулярную раз ветвлённую форму графита. Концентрационный перепад РЗМ по длине отливки вызвал бо лее высокое содержание свободного цементита в 8-м кулачке.

Установили, что получение однородной по графиту и с минимальным перепадом ме ханических свойств бесцементитной структуры ЧВГ в отливке по всей длине обеспечивает разработанная технология внутриформенного модифицирования ФС50РЗМ20 с предмоди фицированием ФС75 массовой фракции 150-200 г в заливочной чаше формы. Графит в 1-м и в 8-м кулачке отливки практически полностью представлен вермикулярной формой. Предва рительное графитизирующее модифицирование позволило нивелировать в ЧВГ градиент концентрации РЗМ по длине отливки, в результате чего получен чугун с достаточно одно родной бесцементитной структурой с небольшим количеством феррита (П85-90), обладаю щий следующими свойствами: в = 432 МПа, = 1,2%, НВ 239-244. Достижение стабильных показателей структуры и свойств отливок «Вал распределительный» подтверждается их по лучением на отобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Для повышения прочностных свойств ЧВГ применяли такой наименее энергоёмкий и технологичный вид термической обработки как нормализация. Для проведения исследования выбрана та же отливка «Вал распределительный». Операцию нормализации проводили в проходной газовой печи по ступенчатому режиму: нагрев отливок вместе с печью до темпе ратуры 750°С, выдержка 40 мин, нагрев до температуры 910°С, выдержка 1 ч 40 мин, охлаж дение на воздухе в течение 2-х часов. Микроструктура ЧВГ до нормализации: ВГф2, ВГф3, ВГ90, ПГф1;

Пт1, П85. В структуре ЧВГ после нормализации содержание феррита осталось неизменным, а основная структура металлической матрицы представлена сорбитообразным перлитом. Следовательно, после нормализации произошло повышение дисперсности и уп лотнение перлитной составляющей при неизменном = 1,2%, твёрдость нормализованного чугуна возросла с 229 НВ до 260 НВ, а в до 500 МПа.

Пятая глава посвящена обеспечению стабильности структуры и свойств ВЧШГ гра фитизирующим модифицированием.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием графитизирующих мо дификаторов на основе ферросилиция. По результатам расширенных производственных ис пытаний установлено снижение расхода барийсодержащего графитизирующего модифика тора ФС65Ба4 по сравнению с ФС75л6 от 14,3 до 50% в зависимости от габаритов и толщи ны стенки конкретной отливки. Механические свойства и микроструктура отливок находят ся в соответствии с установленным нормативом для каждой марки чугуна. При сравнении твёрдости и анализе особенностей микроструктуры отливок при первичном (ковшевом) и вторичном (в чаше формы) модифицировании установили, что эффективность позднего мо дифицирования намного выше раннего.

При вторичном графитизирующем модифицировании в чаше формы модификатором ФС55Ба22, оценивая морфологию графита (рис. 8), выявлено значительное преобладание правильной шаровидной формы графита ШГф5 (рис. 8, а), а при первичном графитизирую щем модифицировании модификатором ФС55Ба22 наоборот, шаровидный графит пред ставлен, преимущественно, типом ШГф4 неправильной формой (рис. 8, б).

(а) (б) Рис. 8. Схема типов графита ШГф5 (а) и ШГф4 (б) (100) в микроструктуре ВЧШГ, полученном при вторичном и первичном графитизирующем модифицировании ФС55Ба Обе формы шаровидного графита допустимы в микроструктуре ВЧШГ, однако тип ШГф5 характеризует более высокое качество и эффективность графитизирующей обработки высокобаристым ферросилицием, проводимой в момент заполнения формы, что связано с большим количеством остающихся в расплаве центров кристаллизации графита. По резуль татам проведённых исследований на расширенной номенклатуре отливок из ВЧШГ марок ВЧ50, Gh56-40-05 и Gh65-48-05 установили, что при использовании высокобаристого ферро силиция для первичного модифицирования в микроструктуре отливок более мелких графит ных включений ШГд45 в среднем больше, чем при вторичном модифицировании в чаше формы, а количество более крупных включений ШГд90 в обоих случаях одинаково. Уста новлено, что первичное модифицирование ВЧШГ позволяет обеспечить снижение твёрдости отливок (НВ 182-255) и более высокое содержание феррита (в среднем П50), а вторичное модифицирование – рост твёрдости (НВ 202-272) и более сильную перлитизацию матрицы (в среднем П60-70). В отливках, структура является рациональной, так как получена с исполь зованием более эффективных, чем ФС75, графитизирующих модификаторов, обеспечиваю щих требуемое модифицирование чугуна при уменьшенном расходе: на 14,3-50% для ФС65Ба4 и на 33,3-75% для ФС55Ба22. Достижение стабильных показателей структуры и свойств чугуна подтверждается их получением на отобранных отливках от опытных партий в объёме 1 плавки (20 т).

Влияние на формирование литой структуры ВЧШГ с требуемым уровнем механиче ских свойств варьирования стадийности ввода бария в составе модификатора заключается в следующем. При позднем введении бария в расплав ВЧШГ создаётся его избыточная кон центрация, превышающая необходимую для связывания в химические соединения ПАЭ. Из быточный барий тормозит рост графитных включений за счёт снижения к ним диффузии уг лерода из расплава. Оставшийся в аустените углерод способствует формированию перлит ной металлической основы. Повышая поверхностное натяжение расплава чугуна, барий по зволяет сформировать правильную шаровидную форму графита ШГф5 даже при недостатке растворённого магния. При раннем введении бария в расплав ВЧШГ происходит полное свя зывание адсорбированных на графитных включениях ПАЭ, за счёт чего происходит их очи щение и дальнейший рост за счёт диффузии углерода из расплава при формировании пре имущественно ферритной структуры.

Исследование влияния комплексных смесевых модификаторов и технологий их ввода на формирование структуры и свойств ВЧШГ. Основу комплексных смесевых модификато ров нового поколения (МК) в соответствии с ТУ 0826-003-47647304 в отличие от традици онных смесевых модификаторов, получаемых из отсевов выплавляемых модификаторов, со ставляют порошки активированного высокотемпературной обработкой углерода (графита) и полученного физико-химическим путём кристаллического кремния при синтезе органогало генсиланов. Главная особенность МК заключается в их высокодисперсном фракционном со ставе (10-30 мкм), что должно обуславливать резкое повышение модифицирующей способ ности и «живучести» смеси.

По результатам исследований установили, что литая микроструктура отливок «Вал ко ленчатый» из чугуна Gh75-50-03, полученных с применением смесевого модификатора МККа21, с соотношением массовых частей углеродсодержащего материала к кремнийсо держащему 2:1 и добавлением 5% Ca, имеет до 1% цементита по границам зёрен. Следова тельно, расход данного модификатора в количестве 1 и 2 кг на ковш 1200 кг не обеспечивает необходимый модифицирующий эффект, ввиду нарушения параметров микроструктуры чу гуна, но позволяет получить требуемые механические свойства (в = 785-804 МПа, = 8,0 8,8%, НВ 229-285). Механические свойства отливок «Вал коленчатый» после нормализации:

в = 834-873 МПа, = 5,2-8,0%, НВ 255-302. Микроструктура нормализованных отливок имеет от 2 до 5% вторичного цементита по границам зёрен. Данное явление, по-видимому, объясняется низким содержанием кремния в химическом составе чугуна из-за его недоста точного поступления при модифицировании материалом с малым содержанием кремния.

При этом содержащийся в модификаторе мелкодисперсный графит оказывает влияние толь ко на формирование структуры чугуна из жидкого состояния и не влияет на его структуру после термообработки (нормализации).

На практике установили практически полное отсутствие графитизирующего эффекта при вводе материала МК21 (C:Si = 2:1) на днище ковша. Графит в отливках полностью пред ставлен типом ШГф4 шаровидной неправильной формой, что объясняется достаточной для формирования глобулей концентрацией остаточного магния при недостаточном количестве центров зарождения графита, в результате чего нарушается их равномерный объёмный рост.

При введении в стояк литниковой системы литейной формы перед заполнением её чу гуном 0,1% (65 г) материала МКМг19 (C:Si = 1:9 с добавлением 5% Mg) отбел уменьшился до 10% на глубину 8 мм от поверхности. Одновременное присутствие в структуре чугуна вместе с перлитом феррита и цементита указывает на недомодифицирование чугуна, так как при достаточном количестве модификатора углерод перераспределяется и участвует в фор мировании перлитной структуры. Механические свойства отливок «Ступица переднего ко леса»: в = 775 МПа, = 9,6%, НВ 239-255. Увеличение расхода материала МКМг19 в форму свыше 0,15% (100 г) позволило полностью устранить свободный цементит, следовательно, количества модификатора оказалось достаточным для полноценной обработки расплава чу гуна. Механические свойства отливок: в = 765 МПа, = 8,8%, НВ 249-255. При этом твёр дость отливок осталась на том же уровне, что и у отливок, полученных с применением 0,1% МКМг19. В отливках «Ступица переднего колеса», структура является рациональной, так как получена с использованием более эффективного и экономичного, чем ФС75, графитизи рующего смесевого комплексного модификатора МКМг19 для позднего графитизирующего модифицирования. Достижение стабильных показателей структуры и свойств отливок «Сту пица переднего колеса», подтверждается их получением на отобранных отливках от опыт ных партий в объёме 1 плавки (20 т). По результатам определения механических свойств ус тановлено, что свойства отливок соответствуют марке ВЧ70. Таким образом, для получения ВЧШГ марки ВЧ70 разработана следующая схема двухступенчатого модифицирования:

сфероидизирующая ковшевая обработка + последующее введение в стояк формы 0,15% мо дификатора МКМг19.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием модификатора для встречного модифицирования и технологий его ввода. Для достижения требуемой литой структуры чугуна при нарушении технологии модифицирования (в случаях недомодифици рования, перемодифицирования), отклонений химического состава чугуна и модификаторов, применена технология встречного модифицирования с использованием модификатора, ус ловно названного Glitter (от англ. блестеть) на основе теллурида висмута Bi2Te3. В про цессе проведения комплекса исследований установлен его рациональный расход 0,000125%, обеспечивающий формирование заданных показателей микроструктуры ВЧШГ в зависимости от стадийности их ввода совместно с графитизирующим модификатором.

Установлено, что использование модификатора Glitter для подавления ферритообразо вания в структуре ВЧШГ, перемодифицированного графитизирующим модификатором, яви лось достаточно эффективным: при увеличении расхода ФС75л6 в 1,7 раза (2,2 кг вместо 1, кг) в структуре чугуна преобладает перлитная составляющая П60-70 (НВ 241-246). При ис ключении операции ковшевого графитизирующего модифицирования ВЧШГ, введение мо дификатора Glitter в ковш совместно с поздним графитизирующим модифицированием вы зывает снижение доли перлита в структуре до 15% (НВ 197-207). Совместное введение в расплав чугуна в ковше модификатора Glitter и ФС75л6 без последующего вторичного мо дифицирования ФС75л3 в заливочной чаше формы позволило получить практически полную перлитизацию металлической матрицы ВЧШГ (П95) при твёрдости НВ 255-272. Следова тельно, модификатор Glitter в зависимости от стадийности ввода с графитизирующим моди фикатором или без него может быть использован для изменения механических свойств ВЧШГ и получения в структуре чугуна металлической основы с различным соотношением перлит/феррит.

По результатам комплексных испытаний модификатора Glitter при получении отливок 2101-1005030 «Звёздочка коленчатого вала» из чугуна Gh65-48-05 установлено совместное влияние поверхностно-активных элементов Bi и Te на структурообразование чугуна, за ключающееся в следующем. При введении Bi и Te совместно с графитизирующим модифи катором на ранней стадии (ковшевом модифицировании) они препятствуют дальнейшему росту и растворению находящихся в расплаве ЦКГ, представляющих собой как недораство рившиеся включения графита, привнесённые из шихты, так и продукты реакции графитизи рующего модификатора с примесями чугуна, и препятствуют как их дальнейшему росту, так и их растворению в расплаве. При введении Bi и Te в расплав чугуна на ранней стадии и по следующем его графитизирующим модифицировании на поздней стадии (в предкристалли зационный период) ПАЭ препятствуют дальнейшему росту и растворению только находя щихся в расплаве недорастворившихся включений графита, унаследованных из шихты, по сле чего за счёт графитизирующего эффекта разблокируются уже существующие и форми руются новые ЦКГ из продуктов реакции графитизирующего модификатора с примесями чу гуна. Достижение стабильных показателей структуры и свойств отливок «Звёздочка колен чатого вала» подтверждается их получением на отобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Исследование влияния технологии вторичного графитизирующего модифицирования ВЧШГ брикетами из отсевов модификаторов на формирование требуемой литой структуры.

Альтернативной вторичному графитизирующему модифицированию ВЧШГ ферросилицием массовой фракции 150-200 г является технология модифицирования брикетами из отсевов производства графитизирующих модификаторов (ФС75, ФС65Ба1 и др.). Провели исследо вание влияния данной технологии графитизирующего модифицирования на структуру ВЧШГ. Технология изготовления брикетов из ферросилиция с активными элементами для вторичного графитизирующего модифицирования ВЧШГ является как ресурсосберегающей, ввиду использования отходов основного производства, так и энергосберегающей в резуль тате ухода от переплава отходов (отсевов) и дополнительного расхода энергоносителей.

По результатам исследований 2-х разработанных схем вторичного графитизирующего модифицирования ВЧШГ в заливочной чаше и внутри формы также установлен и описан процесс растворения брикета в расплаве чугуна. Процесс протекает в несколько этапов: на чало формирования («намораживания») на поверхности брикета корочки чугуна;

её рост до полного обволакивания брикета;

вскипание связующих веществ на поверхности брикета;

разделение брикета на фрагменты и автономное растворение фрагментов брикета. Анализ полученных результатов показывает, что возникающая в некоторых случаях недостаточная степень сфероидизации графита в отливке связана с нестабильностью растворения брикета из-за неточного дозирования связующих компонентов. При этом возможны два случая:

преждевременное растворение брикета за время наполнения формы из-за недостаточного ко личества связующих материалов и/или высокой температуры заливаемого чугуна;

неполное растворение брикета за время наполнения формы из-за избыточного содержания связующих материалов и/или низкой температуры заливаемого чугуна.

Следовательно, успешное применение брикетированных отсевов производства моди фикаторов для вторичного модифицирования ВЧШГ возможно только при строгом контроле количества связующих веществ, давления прессования, а также определения для каждой от ливки необходимой температуры заливки чугуна с точки зрения пролонгированного и, в то же время, полного растворения брикета за время заполнения формы. При достижении таких условий процессы растворения брикета и ферросилиция массовой фракции 150-200 г будут сопоставимы, что обеспечит формирование бездефектной стабильной структуры ВЧШГ. В исследованных отливках «Ступица заднего колеса», «Картер редуктора заднего моста», «Вал коленчатый», изготовленных с использованием ресурсосберегающей технологии вторичного графитизирующего модифицирования брикетами из отсевов модификаторов по сравнению с вторичным графитизирующим модифицированием кусковым ферросилицием структура яв ляется рациональной так как при равном расходе данных материалов, стоимость отсевов графитизирующих модификаторов намного ниже стоимости стандартного кускового ферро силиция. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их по лучением на отобранных отливках от каждой опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием технологии внутрифор менного модифицирования литыми вставками. По результатам выполненных исследований установили, что применение литых вставок на основе ферросилиция для графитизирующего внутриформенного модифицирования позволило улучшить форму шаровидного графита (преобладание формы ШГф5), продлить действие магниевого модификатора, уменьшить размер и обеспечить равномерное распределение графита по объёму металлической матри цы, предупредить появление цементита и подавить появление крупнодисперсных ферритных областей. Дополнительно достигнута высокая прочность и полностью перлитная структура в отливках из ВЧШГ высоких марок. Достижение такого комплексного эффекта объясняется наследственным влиянием мелкодисперсной структуры литой вставки.

На первом этапе исследований с применением литых вставок получили в литье струк туру, соответствующую нормативам для нормализованных отливок «Вал коленчатый» с со держанием равномерно распределённого феррита в структуре чугуна не более 8%. Стендо вые натурные испытания показали преодоление деталью требуемых 600 часов ходимости.

Испытания на усталостную долговечность показали, что все три детали выдержали 90 тыс., 111 тыс. и 140 тыс. циклов до разрушения.

На втором этапе исследований получили требуемые характеристики структуры и свойств отливок только за счёт использования литой вставки без первичного графитизи рующего модифицирования и нормализации. Показано, что внутриформенное модифициро вание ВЧШГ литыми вставками позволяет повысить временное сопротивление деталей «Вал коленчатый» в литом состоянии в среднем на 69 МПа, а в нормализованном в среднем на 39 МПа. В отливках «Вал коленчатый», изготовленных с использованием технологии внут риформенного модифицирования литыми вставками без нормализации по сравнению с тех нологией вторичным графитизирующего модифицирования кусковым ферросилицием и по следующей нормализацией структура может считаться рациональной, так как получена по более экономичной технологии. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках от каждой опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Шестая глава посвящена формированию структуры и свойств СЧПГ графитизирую щим модифицированием с учётом особенностей его химического состава и конструктивных особенностей получаемых отливок.