Исследование влияния температурно-временных параметров процесса графитизирующего модифицирования серого чугуна на показатели его структуры и свойств

Болдырев Д.А. (канд. техн. наук, ведущий инженер-исследователь Исследовательского Центра ОАО «АВТОВАЗ»)

В работе проведено исследование влияния изменения степени модифицирования расплава серого чугуна от температурно-временных параметров при изготовлении отливок 11193-1002015 «Блок цилиндров» по действующему технологическому процессу в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» на параметры микроструктуры и показатели механических свойств. Предложено в качестве параметра, характеризующего эффективность графитизирующего модификатора и способ его ввода в расплав чугуна, использовать количество междендритного распределения графита в микроструктуре чугуна. Проанализировано взаимовлияние степени модифицирования, скорости охлаждения в форме и степени переохлаждения расплава чугуна.

Ключевые слова: серый чугун, блок цилиндров, модифицирование, микроструктура, скорость охлаждения, степень переохлаждения.

Цель работы: исследовать изменение показателей микроструктуры и механических свойств чугуна в отливках при снижении температуры и степени модифицирования чугуна за время его разливки из ковша по литейным формам.

Для оценки влияния степени размодифицирования серого чугуна и падения его температуры в процессе разливки расплава чугуна из ковша по формам на его структуру и свойства на исследование были отобраны 4 отливки 11193-1002015 «Блок цилиндров» (по одной с первой и последней (9-й) формы с 2-х залитых ковшей). С учётом скорости падения температуры расплава чугуна в ковше - 5°С/мин и среднего времени разливки ковша - 6 минут, падение температуры расплава чугуна в ковше за время его разливки по литейным формам ~ 30°С.

Для первичного отбора (1) отливок в печи ожидания (LFD-20) согласно действующей технологической инструкции был подготовлен расплав чугуна Gh190B следующего состава (табл. 1). Температура расплава в печи - 1490°С (норматив 1480-1500°С). При наполнении заливочного ковша расплавом из печи ожидания способом «под струю единой порцией» были проведены ковшовое модифицирование модификатором Barinokâ (ф. Elkem, Норвегия), введенным в количестве 3 кг, и микролегирование оловом с расчетом до его нормативного содержания в ковшовой пробе - 0,08-0,12%.

Для вторичного отбора (2) отливок в печи ожидания согласно действующей технологической инструкции также был подготовлен расплав Gh190B следующего состава (табл. 1). Температура расплава в печи - 1490°С (норматив 1480-1500°С). При наполнении заливочного ковша расплавом из печи ожидания способом «под струю единой порцией» были проведены ковшовое модифицирование модификатором Barinokâ (ф. Elkem, Норвегия), введенным в количестве 2,4 кг, и микролегирование оловом с расчетом до его нормативного содержания в ковшовой пробе - 0,08-0,12%.

Фактические значения технологических параметров при получении отливок представлены в табл. 2. Используемые в работе методики исследований приведены в табл. 3.

Таблица 1. Печной и ковшовой химический анализ чугуна

Таблица 2. Фактические значения технологических параметров

Таблица 3. Методики исследований

Подвод расплава чугуна от литниковой системы к отливке осуществляется посредством 5-ти питателей через нижнюю полуформу в месте крепления картера со стороны впуска (рис. 1). Образцы для исследования микроструктуры чугуна в отливках вырезались с 4-х зон стенки гильзы 1-го цилиндра под углом 90⁰. Образцы для определения твердости по Бринеллю вырезались с 3-й и 4-й зон стенки гильзы 1-го цилиндра. Анализ микроструктуры  и замеры твердости по Бринеллю (в зонах 3 и 4) проводились на образцах, вырезанных на расстоянии 20 (верхняя часть - в.ч.), 70 (средняя часть - с.ч.) и 120 мм (нижняя часть - н.ч.) от привалочной поверхности (рис. 2). Высота образцов для анализа микроструктуры - 10 мм, для замеров твердости по Бринеллю - 20 мм (по 3 укола - в верхней, средней и нижней части зоны 3, по 3 укола - в верхней части зоны 4 на расстоянии 20 мм от привалочной поверхности). Образцы на разрыв изготавливались из стенки между 1-м и 2-м цилиндрами отливки блока (зона 4, рис.1).

Рис. 1. Расположение исследуемых зон из стенок гильзы 1-го цилиндра для определения твердости по Бринеллю и анализа микроструктуры

Рис. 2. Схема вырезки образцов для определения твердости по Бринеллю и исследования микроструктуры по высоте стенки гильзы 1-го цилиндра

Результаты исследований

Химический состав печных и ковшовых проб, залитых при первичном и вторичном отборе отливок блоков цилиндров, приведен в табл. 1. Результаты определения механических свойств чугуна в отливках приведены в таблицах 4, 5.

Таблица 4. Результаты определения твердости по Бринеллю образцов из отливок блоков цилиндров

* При доверительной вероятности 90%.

Таблица 5. Результаты определения временного сопротивления и относительного удлинения на образцах из отливок блоков цилиндров

* Принимая во внимание большой разброс полученных результатов в пределах одной зоны, являющийся характерной особенностью серого чугуна с пластинчатым графитом как хрупкого материала, среднее значение показателей определялось при доверительной вероятности 80%.

По результатам анализа параметров микроструктуры чугуна в образцах из отливок блоков цилиндров наиболее характерные области в исследуемых зонах 1-4 со всеми присутствующими распределениями графитных включений (A, В, D и E) приведены на рис. 3-6, с содержанием свободного феррита в микроструктуре чугуна - на рис. 7. Подсчитанное количество графитных включений по осям X и Y (рис. 8) и общее расчетное количество графитных включений на площади 25 мм² (5´5 мм²) в зонах 1-4 приведено в таблицах 6, 7.

Рис. 3. Распределение графита типов E, D и A в микроструктуре чугуна (´100´0,5)	Рис. 4. Распределение графита типа A в микроструктуре чугуна (´100´0,5)
Рис. 5. Распределение графита типов A и Е в микроструктуре чугуна (´100´0,5)	Рис. 6. Распределение графита типов A, Е и В в микроструктуре чугуна (´100´0,5)
Рис. 7. Перлит и феррит (~2%) в микроструктуре чугуна (´500´0,5)	Рис. 8. Область с распределением графита типа A в микроструктуре чугуна с нанесенными координатными осями для подсчета количества графитных включений (´100´0,5)

Таблица 6. Полученное с помощью подсчета количество графитовых включений по осям (X,Y)

*) При доверительной вероятности 90%.

Таблица 7. Рассчитанное общее количество графитовых включений на площади 25 мм² (5´5 мм²)

*) При доверительной вероятности 90%.

Обсуждение и объяснение результатов исследований

Параметром, характеризующим эффективность графитизирующего модификатора и способ его ввода в расплав чугуна, является количество междендритного распределения графита в микроструктуре чугуна. Если правильно подобраны химический состав чугуна по основным элементам - углероду и кремнию, и расход графитизирующего модификатора, отсутствуют явные отклонения и нарушения технологии модифицирования, приводящие чаще всего к формированию в микроструктуре чугуна междендритного ненаправленного распределения графита типа D, то индикатором качества модифицирующей обработки расплава чугуна может быть принято содержание  междендритного направленного распределения графита типа Е в микроструктуре чугуна. Данный тип распределения графита в разном количестве практически всегда присутствует в микроструктуре чугуна в зависимости от конструкции и габаритов отливки, толщины стенки, особенностей литниковой системы, а также химического состава чугуна, используемого графитизирующего модификатора и способа его введения в расплав чугуна, времени разливки расплава чугуна после модифицирования и скорости его охлаждения в форме (как характеристики материала формы).

Все перечисленные технологические параметры кроме последних двух - времени разливки расплава чугуна после модифицирования и скорости его охлаждения в форме - при получении конкретной отливки являются условно-постоянными, а указанные параметры имеют тенденцию к изменению, что и было подтверждено при исследовании показателей микроструктуры и механических свойств чугуна в отливках 11193-1002015 «Блок цилиндров» из серого перлитного чугуна марки Gh190B, отобранных с первой и последней форм разлитого ковша.

Широко известны следующие способы графитизирующей обработки (модифицирования) расплава серого чугуна с присущими им недостатками [1, 2]:

• на днище ковша перед его заполнением расплавом чугуна - самый неэффективный способ, при котором высока вероятность спекания навески модификатора на днище ковша и в результате - практически полное отсутствие модифицированного состояния расплава чугуна и высокий показатель отбела клиновой пробы;
• под струю единой порцией в момент наполнения ковша на 1/4-1/3 - зависит от скорости подачи модификатора, от скорости наполнения ковша расплавом чугуна, от геометрии струи, в результате чего может сильно варьироваться расход модификатора и показатель величины отбела клиновой пробы (применяется в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ»);
• на струю в процессе заполнения литейных форм расплавом чугуна из ковша - наиболее эффективный способ графитизирующего модифицирования серого чугуна, характеризующийся минимальным расходом модификатора для получения требуемой степени модифицирования расплава чугуна;
• на струю в процессе всего времени наполнения ковша расплавом чугуна из печи - по своей эффективности является промежуточным между 2-м и 3-м способами.

Учитывая, что способ ковшового графитизирующего модифицирования расплава серого чугуна - «под струю единой порцией» - не является достаточно эффективным даже при использовании высококачественного графитизирующего модификатора BarinokÒ (ф. Elkem, Норвегия), в микроструктуре чугуна в отливках всегда присутствует определенное количество междендритного направленного распределения графита типа Е.

При анализе микроструктуры чугуна в отливках блоков цилиндров установлено, что количество междендритного направленного распределения графита типа Е в микроструктуре отливок блоков цилиндров в процессе разливки расплава чугуна из ковша по формам в результате его размодифицирования может возрастать. Процесс размодифицирования расплава чугуна в ковше по сравнению с его неподвижным состоянием ускоряется из-за его постоянных колебаний в результате наклона ковша и его возврата в исходное положение в процессе наполнения литейных форм.

Таким образом, происходит конкурентное взаимовлияние степени размодифицирования расплава чугуна и скорости его охлаждения в форме: сразу после проведения модифицирующей обработки расплав чугуна находится при определенной начальной температуре в состоянии, характеризующемся наименьшей степенью переохлаждения [1, 2]. Постепенно, по мере разливки расплава чугуна из ковша по формам, происходит снижение модифицирующего эффекта расплава чугуна и, одновременно, уменьшение скорости его охлаждения в литейной форме по причине падения его температуры в ковше в среднем на 5°С/мин. То есть снижение температуры расплава чугуна в ковше обеспечивает более низкую скорость его охлаждения форме, что позволяет компенсировать снижение модифицирующего эффекта расплава чугуна во времени или, иначе, степени его переохлаждения. Если бы размодифицирование расплава чугуна происходило при постоянной температуре, то отливка из последней формы по сравнению с отливкой из первой формы имела бы более высокую твердость и вместе с повышенным содержанием междендритного направленного распределения графита типа Е, возможно, наличие свободного цементита - как следствие более высокой степени переохлаждения расплава чугуна.

Анализ полученных результатов

1. Химический состав чугуна в отливках первичного и вторичного отбора практически одинаков по всем значимым элементам (C, Si, Mn, Cr, Cu, Sn), следовательно, на основе сопоставления и анализа полученных изменений показателей механических свойств и параметров микроструктуры можно, в целом, оценить качество и стабильность технологического процесса получения отливок блоков цилиндров без привязки к химическому составу чугуна.
2. Твердость чугуна всех 4-х отливок соответствует требованиям НД к марке Gh190В. Для отливок, отобранных с первых форм, подтверждается закономерность повышения твердости чугуна при уменьшении толщины стенки. Установлено, что в отливках, отобранных с последних форм, в толстой (зона 4) и тонкой стенке (зоны 1-3) отличия в твердости минимальны, то есть твердость выравнивается. Диапазоны разброса значений твердости в верхней, средней и нижней части стенки гильзы 1-го цилиндра со стороны выпуска (зона 3) для отливки, отобранной с первой формы, в целом, ниже, чем для отливки, отобранной с последней формы. Отмеченная закономерность наблюдается как для отливок первичного, так и вторичного отбора. Данная тенденция свойственна и для диапазонов разброса значений временного сопротивления чугуна в отливках: интервалы для отливок, отобранных с первых форм, в целом, меньше, чем для отливок, отобранных с последних форм. Учитывая, что в среднем твердость чугуна по сечению гильзы цилиндров не изменяется, можно констатировать, что происходит взаимокомпенсирующее влияние степени размодифицирования расплава чугуна и скорости его охлаждения в форме. Однако несколько более сильное влияние 1-го фактора приводит к появлению нестабильности прочностных свойств и параметров микроструктуры (п. 4).
3. По временному сопротивлению чугун всех 4-х отливок соответствует требованиям НД к марке Gh190В. Путем сопоставления значений временного сопротивления и определенного факультативно относительного удлинения выявлена следующая закономерность: более высоким значениям временного сопротивления соответствует и более высокие значения относительного удлинения. Данное явление можно объяснить локальным повышением концентрации напряжений в чугуне в зонах с сосредоточенным преобладанием междендритных и розеточных распределений графита, из которых изготавливали образцы на разрыв. Указанные формы распределений графита ослабляют прочность как самого перлитного зерна (розеточное распределение графита типа В), так и его границ (междендритные формы распределений D, E). В отличие от них равномерное распределение графита характеризуется равновероятным количеством графитных включений, как в теле перлитного зерна, так и на его границе без локализации. Прямая корреляция между уровнем твердости и прочности чугуна не выявлена: при более высокой твердости чугуна в отливках уровень прочности ниже (отливки с первичного отбора) и наоборот (отливки с вторичного отбора).
4. В микроструктуре чугуна 4-х отливок присутствует в сечениях всех 4-х зон междендритное направленное распределение графита. В микроструктуре чугуна отливок, снятых с последних форм разлитого ковша, по сравнению с отливками с первых форм, как с первичного, так и с вторичного отбора, в отдельных сечениях отмечается незначительно более высокое содержание свободного феррита - до 2%, а также одинаковое или уменьшенное содержание равномерного распределения графита (тип А).
5. Подсчитанное количество графитных включений в верхней, средней и нижней частях зон 1-4 в среднем практически одинаково как по оси X, так и по оси Y. Подсчитанное количество графитных включений в верхней, средней и нижней частях зон 1-4 по осям X, Y как и общее расчетное количество графитных включений в верхней, средней и нижней частях зон 1-4 для отливок, отобранных с последней (9-й) формы, меньше, чем для отливок, отобранных с первой формы, что подтверждает общеизвестную тенденцию уменьшения потенциальных центров зарождения графитных включений в процессе размодифицирования расплава чугуна во времени (при его разливке из ковша по формам). При сопоставлении результатов подсчета графитных включений в зонах 1-4 всех четырех отливок блоков цилиндров установлено, что количество графитных включений не зависит от толщины стенки отливки. Показано, что чем выше количество графитных включений на анализируемой площади, тем выше их численный разброс и наоборот.

Вывод:

В целом изменение показателей микроструктуры и механических свойств чугуна в отливках блоков цилиндров от первой формы к последней характеризуется: общим уменьшением количества графитных включений при практически постоянном содержании междендритного направленного распределения графита типа Е и, в меньшей степени, других неравномерных распределений графита (B, D), повышением содержания свободного феррита (в среднем с 1 до 2%) и увеличением диапазонов разброса значений механических свойств.

Литература:

1. Болдырев, Д. А. Графитизирующее модифицирование чугунов: способы, их особенности, общий механизм воздействия. Способ контроля степени модифицирования серого чугуна [Текст] / Д. А. Болдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // IV Всероссийская научно-техническая конференция: Материалы конференции [Электронное издание]. - Самара: 2012. - С. 329-334
2. Болдырев, Д. А. Способы графитизирующего модифицирования чугунов и контроль степени их модифицирования [Текст] / Д. А. Болдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // Металлургия машиностроения. - 2012. - №5. - С. 11-15

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №10 (158) 2013 г.