Некоторые аспекты проблемы оптимизации технологии получения ЧВГ

Анализ технологической схемы«заливка сверху»ковшевой обработки расплава чугуна показал нестабильность её работы для получения чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) при использовании малых навесок (< 0,4%) ФСМг-модификаторов. Показано, что достижение стабильных структурно-механических показателей в отливках из ЧВГ, получаемого с использованием технологической схемы модифицирования в ковше «заливка сверху», обеспечивается оптимальными показателями расхода и состава лёгких ФСМг-лигатур.

Ключевые слова: чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ), ковшевое модифицирование, технологическая схема обработки расплава чугуна «заливка сверху».

ЧВГ –разновидность чугунов с компактной формой графита, перспективный тип чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита, сочетающий в себе достаточно высокие механические свойства при повышенной теплопроводности и демпфирующей способности (внутреннем трении). Эти обстоятельства предопределяют его широкое использование как материала для отливок, в частности,для автомобилестроительной отрасли.

Для получения указанной формы графита в чугуне необходимо модифицирование расплава модификаторами, содержащими магний и редкоземельные металлы (РЗМ). Для улучшения усвоения магния расплавом широко используютсяследующие магнийсодержащие лигатуры: магний-кремний-железо, магний-никель, магний-медь, магний-никель-медь и др. В настоящее время наибольшее применение получили модификаторы на основе системы магний-кремний-железо с добавками РЗМ.Разработано достаточно большое количество способов ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов [1], однако наиболее распространённые в мировой практике технологические способы получения чугунов с компактными формами графита лёгкими лигатурами базируются на ковшевом модифицировании.

В ЧЛП ОАО «АВТОВАЗ» проделана достаточно ёмкая исследовательская работа по определению рациональной технологической схемы ковшевого модифицирования с целью получения чугунов с компактным графитом при использовании«лёгкой» лигатуры ФСМг5, 5РЗМ6. Выходными параметрами служили такие показатели, как соотношение перлита и феррита в металлической основе чугуна отливки, количество шаровидного и вермикулярного графита, основные механические свойства (sв, d, НВ). На основе большого массива статистических данных по сдаточным показателям чугуна в отливках было установлено, что технологическая схема«заливка сверху» (рисунок 1) нестабильна по причине неудовлетворительного объёмного усвоения малой навески модификатора(£ 0,4%): до окончания наполнения ковша расплавом чугуна из печи навеска размывается, выносится на поверхность расплава чугуна, и большая часть её сгорает, не прореагировав с расплавом.

Рис. 1. Технологическая схема ковшевого сфероидизирующего модифицирования «заливка сверху» при получении чугунов с компактным графитом

Проблема усвоения расплавом чугуна модификатора является достаточно актуальной, так как это отражается на качестве металла отливки и его себестоимости в силу дороговизны РЗМ-содержащего модификатора. Этот вопрос не остался без внимания при исследовании процесса модифицирования расплава чугуна в ЧЛП ОАО «АВТОВАЗ». В этом плане было изучено влияние прежде всего таких технологических характеристик, как температура расплава чугуна, расход модификатора, концентрации в нём Mg и РЗМ на его усвоение жидким металлом и др. Полученные закономерности свидетельствуют о том, что на процесс усвоения модификатора в первую очередь влияют температура обрабатываемого расплава чугуна и расход модификатора. В отношении влияния содержания в модификаторе Mg и РЗМ получили экстремальную зависимость, позволяющую определить оптимальную концентрацию в нём указанных элементов. Исследованию подвергались ФСМг-модификаторы с содержанием магния в пределах 3-9%. Было установлено, что оптимальное содержаниеMg и РЗМ в ФСМг с точки зрения наилучшего его усвоения расплавом чугуна составляет3-4% и 1,5-2,5% соответственно.

Результаты вышеописанных исследований легли в основу разработки усовершенствованной технологической схемы модифицирования расплава чугуна на предмет получения марки ЧВГ40 в отливках 21214-1006015-70 «Вал распределительный» на основе наиболее упрощённого способа ковшевого модифицирования «заливка сверху». В качестве модификатора использовалась лигатураФСМг3,5РЗМ2 фр. 4-32 мм сковшевым расходом 0,59%. Указанные особенности технологической схемы модифицирования расплава чугуна выгодно отличаются от предшествовавшей, при которой использовалась лигатура ФСМг5, 5РЗМ6, содержащая повышенные количества магния (~ в 1,5 раза) и РЗМ (~ в 3 раза). Ковшевой расход этой лигатуры при идентичном фракционном составе составлял 0,36%, что меньше предложенного альтернативного варианта ~ в 1,6 раза. При этом в целом предложенная технологическая схема модифицирования расплава чугуна позволила повысить технологическую стабильность получения ЧВГ и экономическую эффективность ковшевой обработки способом «заливка сверху» несмотря на увеличенный расход модификатора. Указанный вывод объясняется тем, что вероятность размыва навески модификатораи его неполного усвоения расплавом чугуна значительно снизилась. Кроме того, пониженное содержание основных элементов (магния и РЗМ) в модификаторе ФСМг3,5РЗМ2 по сравнению с ФСМг5,5РЗМ6 обуславливает уменьшение давления их насыщенных паровпри температуре обработки расплава [2]. Это обстоятельство способствует более стабильному с уменьшенным пироэффектом усвоению модификатора расплавом чугуна. Следствием указанных положительных моментов усовершенствованной технологической схемы модифицирования расплава чугуна явилось снижение брака отливок по содержанию пластинчатогографита в структуре чугуна.

Отливки «Вал распределительный», полученные с использованием усовершенствованной технологической схемой модифицирования расплава чугуна, комплексно исследовались по следующим параметрам:  микроструктура чугуна в отливках анализировалась по ГОСТ 3443-87 с использованием светового металлографического микроскопа EPITIP-2, испытание образцов чугуна из отливок на одноосное растяжение для определения временного сопротивления (sв) и относительного удлинения (d) проводились по ГОСТ 1497-84 с использованием испытательной разрывной машины фирмы «Amsler», твёрдость металла по Бринеллю определялась по ГОСТ 9012-59 с использованием твердомера ТШ 2-1.

На исследование направлялись отливки, отобранные с 1-й (№ отливки 1) и последней (№ отливки 2) формы залитого ковша, а также произвольно отобранные от плавки (№ отливки 3). На рисунках 2-7 приведены фотографии микроструктур чугуна трёх отливок на первом и восьмом кулачках. Результаты исследований механических свойств чугуна, а также описание металлической матрицы и графитных включений приведены в таблице 1.

Таблица 1 -Результаты исследований механических свойств и микроструктуры чугуна опытных отливок «Вал распределительный»

Анализ полученных результатов исследований на предмет соответствия чугуна опытных отливок «Вал распределительный», полученных с использованием усовершенствованной технологической схемы модифицирования расплава чугуна, марке ЧВГ40,требованиям чертежа отливки и СТП 37.101.9778-2004 привёл к следующим результатам.Химический состав ковшевых проб и образцов из отливок полностью соответствовал полностью соответствовал установленным требованиям (таблица 2).

Таблица 2-Регламентируемый химический состав ковшевых проб/образцов из отливок

Временное сопротивление значительно превышает 400 МПа приотносительном удлиненииот 1% до 5%. Твёрдость по Бринеллю НВ 5/750/10полностью укладывается в требуемыйдиапазон210-270 НВ. Металлическая матрица представлена пластинчатым перлитом с небольшим количеством феррита (не более 10% при верхнем допустимом уровне 20%). При этом ни в одном образце цементит не обнаружен, хотя его присутствие регламентируется £ 1% в зоне сальника и £ 5% в кулачке. Графитные включения имеют вермикулярную и шарообразную форму при полном отсутствии пластинчатой, содержание которой ограничивается £ 15%. Шаровидная форма графитных включений имеет преимущественный размер 25 мкм при их доле 30-55%, что не превышает регламентируемое содержание (£ 70%), а также более крупный размер 45 мкм в количестве, не превышающем регламентируемую границу (£ 20%).

Рисунок 2 - Микроструктура 1-го кулачка 1-й отливки (´100)	Рисунок 3 - Микроструктура 8-го кулачка1-й отливки (´100)
Рисунок 4 - Микроструктура 1-го кулачка 2-й отливки (´100)	Рисунок 5 - Микроструктура 8-го кулачка2-й отливки (´100)
Рисунок 6 -  Микроструктура 1-го кулачка 3-й отливки (´100)	Рисунок 7 - Микроструктура 8-го кулачка3-й отливки (´100)

Таким образом, проведённый анализ качества модифицирования расплава чугуна по предлагаемому варианту свидетельствует о высоком уровне технологической стабильности и экономической эффективности получения ЧВГ со свойствами, значительно превышающими требуемые.

Литература: