Опыт совершенствования технологии изготовления отливок «Вал коленчатый» в Металлургическом производстве ОАО «АВТОВАЗ»

Коленчатый вал (рис. 1.1.) является одной из наиболее нагруженных деталей двигателя автомобиля. При работе двигателя коленчатые валы испытывают нагрузки на изгиб, срез и кручение, т.е. находятся в сложнонапряжённом состоянии, а за период эксплуатации число рабочих циклов одного коленчатого вала достигает 1,7×109.

Первоначально заготовки коленчатых валов изготавливались стальнымипосредством ковки. В настоящее время большинство современных автомобильных предприятий применяет коленчатые валы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Применение ВЧШГ в качестве материала для литой заготовки по сравнению со стальным кованым коленчатым валом позволяет снизить её массу более чем на 20% при обеспечении повышенной геометрической точности. При этом уменьшаются припуски на механическую обработку и отходы на стружкообразование более чем на 50%. Снижение массы литого коленчатого вала и получение более точной геометрии заготовки облегчает его динамическую балансировку, чтопозволяет снизить массу двигателя и увеличить его удельную мощность.

Рождение ВЧШГсостоялось в 1948 году. Тогда впервые фирмой «InternationalNickelСompany» опубликовано сообщение о получении ВЧШГ и этот материал оказался настолько хорош, что к 2013 году доля изготавливаемых из негоотливок превысила 50% в объёме мирового производства чугунных отливок. С началом запуска работы АВТОВАЗа отливки коленчатых валов изготавливаются из ВЧШГ марки Gh75-50-03,разработанной фирмой FIATсовместно со специалистами предприятия, и являющейся промежуточной между марками ВЧ70 и ВЧ80 по ГОСТ 7293-85.

К маркеGh75-50-03 для литых коленчатых валов предъявляются более высокие требования к микроструктуре и механическим свойствам, чем, например, для аналогичных заготовок в зарубежной практике одного из ведущих производителей легковых и грузовых автомобилей. Сравнительные данные приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные данные отечественной и зарубежной марок ВЧШГ для литых заготовок коленчатых валов

При производстве ВЧШГ необходимо учитывать, что основной элемент, формирующий шаровидную форму графита - магний (Mg) вступает в реакцию с серой (S) с образованием сульфидов магния (MgS), с кислородом (О2) с образовыванием оксидов магния (MgO), а также с другими элементами-демодификаторами такими как титан (Ti), висмут (Vi), свинец (Pb)и т.д. Результатом реакции магния с перечисленными элементами является недомодифицирование ВЧШГ и формирование шаровидного графита неправильной формы (ШГф1, ШГф2, ШГф3), что в конечном итоге снижает механические свойства отливки. Поэтому перед началом производства высокопрочного чугуна особое внимание стоит уделять составу шихтовых материалов, выбору плавильного агрегатов, а также условиям нахождения жидкого чугуна после обработки магнийсодержащими модификаторами.

На протяжении многих лет отливки коленчатых валов на АВТОВАЗеизготавливались с применением ковшевого модифицирования (метод Pur-over, рис. 1) «тяжёлой»лигатурыNi-Mg15-Ceи ферросилиция ФС75л6. При вторичном графитизирующем модифицировании применялсякусковой ферросилиций марки ФС75л3. Изначально выбор был сделан в пользу«тяжёлой» лигатуры Ni-Mg15-Ceкаксфероидизирующего модификатора в связи с высокой стабильностью получения требуемых механических свойств и равномерно распределённой микроструктурой во всех сечениях отливки.

Навеска лигатуры Ni-Mg15-Ce на ковш металлоёмкостью 1200 кг составляла 5,4 кг (0,45%), навеска ФС75л6 составляла3 кг (0,25%), перед заливкой в литниковую чашу литейной формы укладывался кусок ФС75л3 массой 150-200 г (0,15-0,20%). Двойная графитизирующая обработка в ковше и в форме оказалась наиболее эффективна, однако количество феррита при этом в литом состоянии возрастало до Ф30. Для уменьшения выделениясвободного феррита («бычий»/«мягкий» глаз) и повышения механических свойств, а также снятия прижогов после обнаждачивания отливок по линии разъёма, проводилась операция термической обработки «нормализация» в термической печи с выкатным подом «Sfeat» при температуре во 2,3,4 зонах печи 910°С с темпом толкания 4,5 минуты. В качестве формовочных материалов применялась смесь бентонита Хакасского месторождения с углём гранулированным, пески Балашейского и Чапурниковского ГОК.Формовка и заливка производились на АФЛ «SPOmatic»без применения стержней. При выплавкеи доводкеВЧШГв металлургическом производстве ОАО «АВТОВАЗ» применяется дуплекс-процесс «электродуговая плавильная печь промышленной частоты металлоёмкостью 48 тонн – индукционная тигельная печь металлоёмкостью 20 т. Такой процесс является наиболее оптимальным для условий чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ». Благодаря применению электродуговой плавильной печи имеется возможность проведения печной десульфурации жидкого чугуна путём введения негашёной извести, что в конечном итоге обеспечивает содержания серы в расплаве чугуна до 0,012% при полусинтетической шихтозавалке. После перелива жидкого чугуна из плавильной печи в раздаточный миксер происходит усреднение химического состава, что устраняет ликвацию химических элементов после выдержки расплава чугуна более 30 минут.

Основными видами дефектов при получении отливок коленчатых валов по данной технологии являлись «газовые» раковины в хвостовой части отливки и «шлаковые» дорожкипо всей длине отливки из-за продолжительной реакции Mg,протекающей как до, так и во время заполнения расплавом чугуналитейной формы (данный вид дефекта обычно проявляется на длинномерных отливках типа «Вал коленчатый», «Вал распределительный», «Шестерня привода масляного насоса и распределителя»), «песчаные раковины». Суммарный уровень брака достигал 1,5%.

В начале 2000-х гг. «АВТОВАЗ» провёл частичную модернизацию чугунолитейного производства. Специально для изготовления коленчатых валов закуплена АФЛ «GeorgFisher» с дополнительной воздушно-импульснойподпрессовкой. Запуск новой АФЛ позволил повысить точность заготовок, сократить элементы литниковой системы, за счёт чего повысился коэффициент использования металла (выход годного), а возможность использования дополнительной подпрессовки позволило улучшитьформуемость. В качестве формовочных материалов на сегодняшний день применяется вместо Хакасского бентонита и гранулированного угля бентонит Дашсалахлинского месторождения и противопригарная добавка «Блескол». В связи с резким ростом цен на никель (Ni) в первой половине 2000-х гг. на АВТОВАЗепроводилась работа по замене «тяжёлой» лигатуры Ni-Mg15-Ce.

Первым альтернативным вариантом для замены Ni-Mg-Ce-лигатуры явилась «тяжёлая» лигатураCu-Mg17-Ce. Преимущество использования никелевых/медных«тяжёлых» лигатур с плотностьюбольшей или равной плотности жидкого чугуна, решает задачу удержания модификатора на днище ковша под расплавом чугуна. При проведении опытных работ с применением Cu-Mg17-Сe-лигатуры наблюдался более интенсивный, чем с лигатуройNi-Mg15-Ce,пироэффект, что объясняется относительно низкой температурой плавления лигатуры (солидус≈ 725°С, ликвидус≈ 790…864°С). Учитывая, что медь по своей природе обладает более сильным перлитизиующим воздействием на металлическую основу чугуна, чем никель и, тем более, марганец, для получения требуемых механических свойств содержание марганца в расплаве чугуна было уменьшено с 0,5-0,6% до 0,3-0,4%. Для устранения вторичного цементита в микроструктуре отливок, а также снижения и стабилизации твёрдости, температура нормализации была снижена с 910°С до 870°С. Стабильное получение требуемых степени сфероидизации графита (ССГ), металлической основы и механических свойств получения ВЧШГ марки Gh75-50-03 в условиях чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ» обеспечивается введениемвзаливочный ковш металлоёмкостью 1200 кг10 кг тяжёлой лигатуры Cu-Mg-Ceи 5 кг модификатора BarinocÒ75(замена ФС75л6 на Barinoc проведена в связи с лучшими графитизирующими свойствами последнего из-за наличия в его химическом составе модификатора Caи Ba) и вторичномгарфитизирующем модифицировании кусковым ФС75л3 массой 150-200 г взаливочной чаше формы. Т.е. ковшевой расход Cu-Mg17-Ce-лигатуры в сравнении с Ni-Mg15-Ce-лигатурой увеличился в 1,85 раза. Также из-за продолжительногопироэффекта и газонасыщения расплава чугуна в процессе его ковшевой сфероидизирующей обработкив хвостовиках отливках выявлялись литейные дефекты в виде «газовых» и «газошлаковых» раковин с суммарным уровнемнесоответствий по качеству до 3%.

На втором этапе работы по замене Ni-Mg-Ce-лигатурыв качестве сфероидизирующего модификатора из линейки «лёгких» лигатур ф. ElkemASA был выбран модификатор LametÒ5836 (Si 44-48%, Mg5,0-6,0%, La 0,25-0,4%, Са 0,4-0,6%, Al0,8-1,2%), обладающий, благодаря наличию лантана, противоусадочным действием. «Лёгкие» кремнийсодержащие лигатуры имеют плотность более чем в 2 раза меньшую, чем жидкий чугун, поэтому удержание их под расплавом требует специальных технологических мер, в частности, применение технологий на основе базовой схемы«сэндвич»-процесс (рис. 2): «ковш с крышкой», «заливка сверху» и т.д.При выполнении «кармана» в заливочном ковше на 100 кг снижалась металлоёмкость ковша, при апробирования применения ковша с крышкой уходило много времени (более 15 минут) на закрытие и снятия крышки, что приводило к простоям АФЛ. Отсутствие эффективных футеровочных материалов для выполнения кармана в заливочном ковшеснижало его эксплуатационный ресурс.

Рис. 1. Схема получения ВЧШГ ковшевым сфероидизирующим модифицированием «тяжёлыми» лигатурами	Рис. 2. Схема получения ВЧШГ ковшевым сфероидизирующим модифицированием по «сэндвич»-процессу

После серии испытаний в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» нашла применение технологическая схема ковшевого сфероидизирующего модифицирования «заливка сверху» (рис. 3), впоследствии усовершенствованная.

Рис. 3. Усовершенствование конструкции футеровки разливочного ковша для сфероидизирующего модифицирования по схеме «заливка сверху»

При проведении её апробации закладывалась 4-х кратная навеска «лёгкой» лигатуры, чем при использованииNi-Mg15-Ce-лигатуры и составляла 20 кг на ковш металлоёмкостью 1200 кг, вторичное модифицированиеосуществлялось по базовой схеме: в литниковую чашу формы укладывался кусок ФС75л3 массой 150-200 г. Значительно увеличенная навеска сфероидизирующей «лёгкой» лигатуры объясняется также тем, что кремнийсодержащий модификатор обладая более низкой относительно жидкого чугунаплотностью в процессенаполнения заливочного ковша расплавом чугунане удерживается под основной толщей металла, а поднимается постепенно вверх. В верхних слоях металла в ковше протекает реакция окисления магнияс образованием его оксида(MgО), в результате чего концентрация растворённого магния может оказаться недостаточнойдля формирования шаровидного графита правильной формы (ШГф5, ШГф4). Вводимый на поздних стадиях в составе модификатора кремний увеличивает вязкость чугуна и снижает егожидкотекучесть. В результате уровень брака по «газовым» раковинам достигал до 10%. Также на двух из десяти изготовленных опытных плавок наблюдалась пониженная степень сфероидизации графита 60-80% (по НД - не менее 90%).Для повышения усвоения магния расплавом чугуна из «лёгкой» лигатуры (~ 0,005%) и, соответственно, снижения ковшевого расхода «лёгкой» лигатуры, уменьшения её размывания струёй расплава чугуна из печи ожидания в процессе наполнения разливочного ковша, предупреждения просыпей и неравномерного распределения навески «лёгкой» лигатуры на днище ковша при её введении (снижение влияния человеческого фактора), снижения чувствительности к силе напора струи из печи ожидания (времени наполнения ковша), облегчения слива остатков расплава чугуна из ковша в изложницу, конструкция футеровки разливочного ковша изменяется следующим образом: при набивке обеспечивается равномерный прямолинейный уклон на угол к плоскости днища разливочного ковша от нижнего края внутреннего отверстия сифона до нижнего окончания противоположной стенки (рис. 3). Снижение металлоёмкости разливочного ковша в данном случае не превышает 100 кг и позволит без нарушения осуществлять их эксплуатацию.

На третьем этапе работы в качестве сфероидизирующего модификатора успешно прошёл испытанияElmagÒ5900 (Si 44-48%, Mg 5,0-6,0%, РЗМ 0,8-1,2%, Са2,9-3,3%, Al 0,8-1,2%)- «лёгкая» кальцийсодержащая  лигатура.Её ковшевой расход по сравнению с LametÒ5836 снизился на 4%. В 2012 г. на специализированной АФЛ для изготовления отливок коленчатых валов «GeorgFisher» запущена в работу установка «Parastream» (ф. Paradays, Великобритания) (рис. 4) для проведения вторичного графитизирующего модифицирования на струю в процессе разливки расплава чугуна из заливочного ковша по литейным формам, в качестве графитизирующего модификатораиспользуетсяBarinocÒ75.

Дозатор для модификаторов Parastream имеет простую, но надёжную конструкцию. Parastream – это автономное электромеханическое устройство, предназначенное для подачи модификаторов с размером фракции 0,2-0,7 мм с высокой степенью точности и воспроизводимости результатов. Принцип действия дозатора Parastream основан на дозировании материала с помощью шнекового питателя. Модификатор, находящийся в бункере оптимального размера, вместимостью 25, 50 и 75 кг, подаётся с помощью шнекового конвейера из коррозионностойкой стали. Дозатор Parastream способен осуществлять подачу стандартного модификатора на основе 75% ферросилиция со скоростью от 0,25 до 20 г/с. Расход модификатора определяется скоростью вращения шнекового конвейера. Скорость вращения задается с помощью электродвигателя переменного тока с преобразователем частоты. Система управления непрерывно контролирует значение частоты вращения двигателя для поддержания заданного расхода модификатора в пределах допуска. Пульт управления дозатором Parastream соединён с дозатором посредством бронированного кабеля, оснащенного разъёмами. Пульт управления может быть установлен на любом расстоянии от места заливки форм. Дозатор для модификаторов Parastream разработан с возможностью работы с любыми, в том числе и полностью автоматизированными заливочными установками.

Рис. 4. Устройство автоматического дозирования модификаторов Parastream

Расход модификатора (грамм в секунду, г/с) задаётся непосредственно с сенсорной панели оператора. Так как плотность модификаторов варьируется, то имеется возможность смены калибровочного графика через сенсорный экран оператора для соответственной плотности модификатора. Дозирующая трубка из нержавеющей стали имеет возможность вращения на 180°; при этом упрощается процедура её монтажа и обеспечивается равномерная подача модификатора строго на струю металла. Бункер с модификатором оснащён сеткой из коррозионностойкой стали с размером ячейки 1 мм для защиты от попадания крупных частиц модификатора. Для лёгкого доступа к обслуживанию дозатор оснащён двумя открывающимися дверцами из нержавеющей стали, заполненными специальным защитным огнеупорным материалом и снабжёнными дополнительными тепловыми экранами из коррозионностойкой стали. Дозатор управляется вручную, посредством команд с формовочной линии, системой контроля за стопором или носком установки автоматической заливки форм, имеет возможность подключения к системе управления качеством литейного производства через последовательный порт. Средства настройки времени подачи модификатора позволяют прекратить его подачу до окончания процесса заливки формы. Это позволяет снизить расход модификатора за счёт исключения модифицирования металла, заполняющего стояк и заливочную чашу литниковой системы. Дозатор Parastream не требует постоянного внимания со стороны операторов.

При обработке расплавов высокопрочного чугуна и чугуна с вермикулярным графитом расход мелкодисперсного графитизирующего модификатора на форму, обеспечивающий требуемые характеристики структуры и свойств, подбирается методом последовательного приближения с учётом конкретных факторов технологического процесса и конструктивных параметров получаемых отливок, после чего фиксируется и остаётся неизменным.