Базовые параметры процесса получения ЧВГ

Приведена общая характеристика ЧВГ, указана главная проблема его получения. Показаны полиномиальные зависимости основных механических свойств ЧВГ и теплопроводности от содержания в нём шаровидного графита. Отмечены изменения особенности механических и физических свойств ЧВГ от содержания в нём графита шаровидной формы. Перечислены 5 основных способов получения ЧВГ, из которых первые 4 являются менее употребимыми, а 5-й – наиболее технологичным. Описаны основные особенности и характеристики способа получения ЧВГ ковшевым модифицированием магний-РЗМ-содержащим модификатором. Приведены рекомендуемые печной и конечный в отливке химические составы ЧВГ. Показаны полиномиальные зависимости величины навески магний-РЗМ-содержащего модификатора и времени выдержки обработанного модификатором расплава чугуна на степень компактности графита (СКГ). Отмечено влияние предварительной обработки расплава чугуна. Приведены наиболее важные аспекты производства ЧВГ.

The general characteristic of CGI is given, the main problem of its production is indicated. Polynomial dependencies of the main mechanical properties of CGI and thermal conductivity on the content of spherical graphite in it are shown. Changes in the mechanical and physical properties of CGI from the content of spherical graphite in it were noted. Listed are 5 of the main methods for producing CGI, of which the first 4 are less used, and the fifth - the most technological. The main features and characteristics of the method of producing CGI by ladle modification of magnesium-REM-containing modifier are described. Recommended furnace and final in casting chemical compositions of CGI are given. Polynomial dependencies of the value of the magnesium-REM-containing modifier suspension and the holding time of cast iron treated with the melt modifier on the degree of compactness of graphite are shown. Influence of pre-treatment of cast iron melt is noted. The most important aspects of CGI production are given.

Ключевые слова: чугун с вермикулярным графитом, модифицирование, структура.

Keywords: high-strength cast iron, modification, structure.

К настоящему времени ЧВГ является широко известным материалом для деталей машиностроения, успешно заменяющий [1]:

- серый чугун по прочности, пластичности и весу;

- сталь и высокопрочный чугун по демпфирующей способности и теплопроводности;

- алюминий и его сплавы по прочности и термической стабильности.

Зависимости предела прочности при растяжении s_в от твёрдости по Бринеллю НВ (в диапазоне 140-245 НВ) основных 3-х типов графитизированных конструкционных чугунов:

s_в(ВЧ) = 3,33НВ – 66,67;

s_в(ЧВГ) = 1,63НВ – 100;

s_в(СЧ) = 2НВ – 140.

Главная проблема ЧВГ, являющаяся следствием нестабильной технологии его получения, состоит в увеличенном (более 40% по определению) содержания глобулярного графита в микроструктуре. Изменение механических свойств ЧВГ от содержания шаровидного графита (2-50%) описывается следующими зависимостями [2]:

s_в = 1,5789(%ШГ) + 308,55;

s_0,5 = 257,47 + 1,3805(%ШГ) - 0,013(%ШГ)²;

s_0,2 = 237,41 + 1,3779(%ШГ) - 0,0121(%ШГ)²;

s_0,1 = 218,96 + 1,4472(%ШГ) - 0,0125(%ШГ)²;

Е = 0,2092(%ШГ) + 155,54;

d = 0,1567(%ШГ) + 3,3649.

Зависимость изменения теплопроводности от увеличения глобулярного графита в ЧВГ с 5 до 60% имеет максимум при 200°С [2]:

W_5% = 3´10^-7(%ШГ)³ – 0,0004(%ШГ)² + 0,1027(%ШГ) + 35,967;

W_14% = 3´10^-7(%ШГ)³ – 0,0004(%ШГ)² + 0,0994(%ШГ) + 35,307;

W_30% = 3´10^-7(%ШГ)³ – 0,0004(%ШГ)² + 0,1101(%ШГ) + 33,883;

W_60% = 3´10^-7(%ШГ)³ – 0,0004(%ШГ)² + 0,1034(%ШГ) + 31,114.

Анализ вышеприведённых зависимостей показывает, что увеличение содержания шаровидного графита в ЧВГ приводит к следующим эффектам:

- увеличивает предел прочности при растяжении, условный предел текучести, модуль Юнга, относительное удлинение и ударную вязкость;

- уменьшает удельную теплопроводность, демпфирующую способность и обрабатываемость режущим инструментом.

Следовательно, содержащем шаровидного графита можно варьировать для улучшения специальных свойств.

Существует 5 основных способов получения ЧВГ с использованием: магния (1), церия (2), азота (3), титана (4) и магний-РЗМ-содержащих модификаторов (5) [2].

Типичные характеристики вышеперечисленных способов производства ЧВГ:

(1) узкий концентрационный диапазон магния в расплаве чугуна 0,005-0,03%; магний вводится в расплав посредством ФСМг-лигатур; процессы введения магния в расплав достаточно сложны; риск образования пластинчатого графита в толстых сечениях отливок;

(2) церий – элемент со средней степенью графитизирующего воздействия; диапазон содержания в расплаве 0,02-0,05%; способствует формированию шаровидного графита и цементита ледебурита в тонких сечениях отливок;

(3) азот в диапазоне 0,019-0,015% вводится в расплав чугуна с использованием азотированного ферромарганца; стимулирует образование компактного графита в массивных сечениях при его небольшом количестве в тонких сечениях отливок; нейтрализуется титаном или алюминием; риск возникновения газовой пористости;

(4) титан вводится в расплав чугуна посредством комплексных (Mg, Ce, Ti)-сплавов; концентрационное соотношение в расплаве Ti/Mg = (0,08-0,15%)/(0,035-0,15%); способствует формированию компактного графита как в тонких, так и в толстых сечениях отливок; имеет свойство накапливаться в возврате; ухудшает обрабатываемость ЧВГ резанием.

Вышеописанные 4 способа имеют ограниченное производственное применение ввиду большого количества недостатков. При получении ЧВГ с помощью магний-РЗМ-содержащих модификаторов (5) при соотношении магний/РЗМ » 1/1, РЗМ позволяют выравнивать микроструктуру разностенных отливок с большим перепадом толщин, снижая чувствительность микроструктуры к изменению толщины сечения; содержание РЗМ легче контролировать, чем магний; не вызывает затруднений получение различных соотношений магний/РЗМ; комплексная обработка расплава чугуна производится за один этап - модификатором со сбалансированным составом; РЗМ можно использовать как альтернативу, в т.ч. и более экономичную, применения титана, т.к. при получении ЧВГ безтитанистым магний-РЗМ-содержащим модификатором образуется меньшее количество шлаков и улучшается механическая обрабатываемость отливок [3, 4].

При получении ЧВГ ковшевым модифицированием по «сэндвич-процессу», процессу «ковш с крышкой» и их модификациям оптимальное содержание магния и РЗМ в модификаторе – 5,0-6,5% при среднем содержании кальция ~ 2% при выдерживании достаточно жёстких требований по печному химическому составу, %_масс: Сэ = 4,3-4,5; С 3,7-3,9; Si 1,5-2,0; S 0,007-0,017; P ≤ 0,03. Усвоение магния и РЗМ из модификатора зависит от базового содержания серы, температуры и процесса обработки (сандвич, ковш с крышкой, в форме и т.д.) и составляет 50-70% и 80-90% соответственно. Рекомендуемый конечный химический состав ЧВГ, %_масс: Сэ = 4,4-4,7; С 3,6-3,8; Si 2,3-2,9; S 0,007-0,010; Mg 0,007-0,009; Ce 0,006-0,008 [3, 4]. В общем случае расход модификатора подбирается в зависимости от: состава базового чугуна (в первую очередь – содержания серы), процесса обработки («сэндвич-процесс», «ковш с крышкой» и др.), толщины стенок отливки, требуемой степени компактности графита (СКГ), температуры обрабатываемого расплава чугуна;

Эффект от применения покровного материала (на примере графитизирующего ФС75Ба1) при ковшевом модифицировании демонстрируют следующие зависимости СКГ (%) от величины навески (М от 0,05 до 0,3%) магний-РЗМ-содержащего модификатора (магний, РЗМ 5,0-6,5%; кальций ~ 2%):

- без покровного материала СКГ = 79,11 - 72,63М;

- с покровным материалом СКГ = 76,52 + 90,78М – 378,39М².

Влияние времени выдержки расплава (t = 0,5-30 мин) обработанного магний-РЗМ-содержащим модификатором (магний, РЗМ 5,0-6,5%; кальций ~ 2%) чугуна на СКГ с/без покровного материала (на примере графитизирующего ФС75Ба1) показывают следующие зависимости (%):

- без покровного материала СКГ = 84,729 - 2,079x + 1,3471x² - 0,3953x³ + 0,0358x⁴ - 0,001x⁵;

- с покровным материалом СКГ = 75,448 + 5,623x - 1,2197x² + 0,089x³ - 0,0021x⁴.

Предварительная подготовка расплава чугуна перед модифицированием может быть полезной для контроля за базовым содержанием кислорода и создаёт условия для образования большого числа центров кристаллизации и роста графита. Для проведения предварительной подготовки базового чугуна в расплав целесообразно ввести некоторое количество малоустойчивых источников кислорода, но не превышающее предел растворимости кислорода в чугуне.

Таким образом, к наиболее важным аспектам производства ЧВГ следует отнести: химический состав базового чугуна, содержание серы в базовом чугуне, предварительная подготовка расплава перед обработкой, выбор защитного покровного материала модификатора в «сандвич-процессе», величина навески модификатора, усвоение модификатора, графитизирующее вторичное модифицирование, конечный состав ЧВГ, микроструктура, отбел, усадка, механические свойства.

Литература:

1. Скрябина М.М., Болдырев Д.А. ЧВГ для корпусных средненагруженных деталей автомобиля // Литейщик России. 2020. №3. С. 31-39.
2. Давыдов С.В, Болдырев Д.А., Сканцев В.М. Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов. - Брянск: БГТУ, 2016. - 171 с.
3. Болдырев Д.А., Сканцев В.М. Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов для отливок автомобилестроения. - Брянск: БГТУ, 2010. - 248 с.
4. Болдырев Д.А. Обеспечение рационального структурирования чугунов путём их модифицирования и микролегирования. - Брянск: БГИТА, 2010. - 45 с.

Авторы:

Болдырев Денис Алексеевич - д-р техн. наук, профессор Тольяттинского государственного университета. Тел. +79297147877, e-mail: Denis.Boldyrev@vaz.ru

Попова Лариса Ивановна - канд. физ.-мат. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79272691569, e-mail: onegko@mail.ru

Прасолов Сергей Геннадьевич - канд. физ.-мат. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79171306984, e-mail: teopmex@tltsu.ru

Мураткин Геннадий Викторович - канд. техн. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79277886996, e-mail: muratkin_g@mail.ru

Токарев Артём Андреевич – аспирант Южно-Уральского государственного университета. Тел. +79090156127, e-mail: 151@nppgroup.ru

Литье Украины,2022, №9, с.8-11