Особенности кристаллизации заэвтектического СЧ, его структуры и свойств в зависимости от углеродного эквивалента

Рассмотрены особенности графитообразования в заэвтектических СЧ. На основе результатов предшествующих и собственных исследований установлено, что первичный графит в заэвтектическом СЧ в зависимости от углеродного эквивалента может как оставаться в структуре, так и всплывать в виде спели. Прочностные свойства заэвтектического СЧ определяются, прежде всего, морфологией графита и лишь затем типом металлической основы. Сформулированы и развиты представления о ключевых показателях технологического процесса получения чугунных отливок - «рациональная структура» и «стабильность структуры и свойств» на примере отливки «Диск переднего тормоза» из СЧ заэвтектического состава.

Ключевые слова: заэвтектический серый чугун, первичный графит.

Из практики получения передельного (ГОСТ 805), литейного и литейного рафинированного (ГОСТ 4832) чушковых чугунов известно, что их низкие марки (ПЛ1, Л1, ЛР1) принадлежат к заэвтектическим с содержанием углерода (в виде графита) до 4,5% и кремния до 3,6% и, соответственно, углеродным эквивалентом Сэ = С + Si/3 [1] до 5,7.

При кристаллизации таких сильно заэвтектических чугунов из жидкого расплава в межкритическом интервале температур C`D`®C`F` стабильной диаграммы «железо - графит» выделяется избыточный (первичный) графит (ГI), имеющий столбчатую (палочную) пластинчатую и/или игольчатую форму (ПГф1 и/или ПГф3, рис. 1а, б), неравномерное и/или веточное распределение (ПГр2 и/или ПГр5, рис. 1б, в) с длиной включений более 1 мм (ПГд1000, рис. 1д), иначе называемый графитной спелью (сплав II, рис. 2).

Из-за внушительного различия по плотности расплава жидкого чугуна (~ 7100 кг/м3) и графита (~ 2400 кг/м3) в первые моменты кристаллизации даже при ускоренном охлаждении в изложнице столбчатые кристаллы графита по аналогии с любыми другими «лёгкими» включениями всплывают на поверхность ванны и закрывают её.

Для устранения данного эффекта в литейных цехах, производящих литейные и передельные чугуны, используются мощные вентиляторы, сдувающие этот всплывший графит. В результате часть графита уходит в нерациональные, пустые потери.

Рисунок 1. Формы, распределения и размер графитных включений в заэвтектическом СЧ

Рисунок 2. Заэвтектическая область диаграммы «железо-графит»

По закону Стокса главной движущей силой, определяющей скорость всплывания (флотации) частиц, является их размер:

где n - скорость всплывания (флотации) частицы, м/с; d – диаметр всплывающей частицы, м; rч – удельная плотность расплава чугуна, кг/м3; r - удельная плотность всплывающей частицы, кг/м3; g – гравитационная постоянная, 9,81 м/с2; m - вязкость расплава чугуна, кг/с×м.

Следовательно, размер частицы не должен превышать определённого критического значения, свыше которого включение всплывает на зеркало ванны.

С другой стороны, удержание частиц в толще расплава осуществляется за счёт энергии сил межфазного натяжения на границе «расплав - включение». Следовательно, не превышая определённого критического размера, частицы могут оставаться в расплаве, то есть скорость их всплывания (флотации) равна нулю и находятся в объёме расплава чугуна в виде «взвеси». Размер частицы, сохраняющейся в объёме расплава, не должен превышать значения, определяемого из следующего неравенства:

где d - диаметр ЦЗ, м; s - поверхностное натяжение на границе «расплав - частица», кг/м; q - краевой угол смачивания, град; р - внешнее давление, Па.

Таким образом, одним из вариантов сохранения в расплаве чугуна первичного графита является создание «взвеси» включений с высокой седиментационной способностью.

Характерный размер графитных включений должен соответствовать выражению (2), при условии, что время их всплывания, определяемое через выражение (1), не должно превышать технологически требуемую длительность до момента разливки расплава чугуна по литейным формам. Тем не менее, ускоренное охлаждение с целью сохранения в расплаве включений первичного графита будет способствовать кристаллизации заэвтектического чугуна по метастабильной системе.

Однако при разработке и освоении СЧ с повышенными теплофизическими и износно-фрикционными свойствами для деталей «Диск переднего тормоза» (рис. 3) (по прочностным свойствам - аналога марки СЧ15 по ГОСТ 1215-85) было доказано, что слегка заэвтектический СЧ полностью по заявленным свойствам имеет преимущество по сравнению с до- и эвтектическими чугунами и не имеет рассмотренного недостатка сильно заэвтектического чугуна, т.е. весь кристаллизующийся графит, в т.ч. и первичный, сохраняется в структуре чугуна (сплав I, рис. 2).

Стандартные механические свойства СЧ (sв, НВ) [2] являются определяющими не для всех машиностроительных деталей. Для некоторых деталей, в т.ч. для тормозных дисков, приоритетными выступают специальные свойства, а именно - к ней предъявляются, прежде всего, высокие требования к трещиностойкости и износостойкости, в меньшей степени - к твёрдости и лишь затем - к прочности.

Химический состав заэвтектического чугуна в отливках тормозных дисков приведён в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав чугуна в отливках тормозных дисков

Из производственной практики известно, что для получения доэвтектического СЧ с углеродным эквивалентом С + Si/3 < 4,26 обязательно применение операции графитизирующего модифицирования. Однако заэвтектический чугун в процессе выплавки и заливки показал высокий потенциал графитизации, что обусловлено 2-мя факторами:

1) Практически отсутствием в структуре отливки розеточного распределения графита (ПГр7) (рис. 4), характеризующим кристаллизацию расплава чугуна с некоторым переохлаждением в результате недостаточного и/или неэффективного графитизирующего модифицирования.

2) Минимальным расходом графитизирующего модификатора (рис. 5), предполагающим возможность его полного исключения (при величине клиновой пробы более 2,34 мм).

Рисунок 3. Деталь «Диск переднего тормоза»

Опыт изготовления СЧ без модифицирования успешно реализован на чугунолитейном заводе ОАО «Руслич» (г. Верхняя Салда), производящем отливки распределительных валов из чугуна марки СЧ15 без графитизирующего модифицирования в плакированные формы с холодильниками, что обеспечивает получение высокой твёрдости поверхностного слоя на кулачках путём целенаправленного формирования в нём отбела, не прибегая к последующему поверхностному переплаву.

ГОСТ 1412-85 регламентирует только основные механические свойства - временное сопротивление и твёрдость по Бринеллю. При идентификации по ГОСТ 1412-85 полученный заэвтектический СЧ  соответствуют марке СЧ15 (sвср 161 МПа, НВ 180-204, НВср 190) при чисто перлитной металлической основе. Следовательно, прочностные свойства заэвтектического СЧ определяются, в первую очередь, не типом металлической основы, а морфологическими характеристиками графитной фазы.

В производственных условиях главными показателями технологий получения чугунных отливок являются обеспечиваемые ими рациональная структура, а также стабильность структуры и свойств.

Рациональной является структура с требуемыми или улучшенными параметрами и уменьшенной дефектностью, полученная по наиболее целесообразной технологии с точки зрения регламентируемого НД уровня получаемых свойств.

 Рисунок 4 - Графит в микроструктуре отливок тормозных дисков из заэвтектического чугуна (´100)

Рисунок 5. Зависимость величины клиновой пробы от расхода графитизирующего модификатора при ковшевой обработке заэвтектического СЧ

Другими словами, это структура, в полной мере соответствующая заданным показателям (критериям) качества в реальных условиях производства: общее для всех типов чугунов - отсутствие отбела (свободного цементита), макродефектов - пор, раковин, инородных включений, для СЧПГ - равномерное распределение графитных включений (ПГр1), отсутствие междендритных распределений (ПГр8, ПГр9) и свободного феррита.

Стабильность структуры и свойств - неизменность, устойчивость требуемых НД показателей структуры и свойств в пределах как минимум одной стандартной партии, изготовленной из металла одинакового химического состава в одном и том же плавильном агрегате.

Стабильность структуры и свойств чугуна обеспечивается устойчивостью технологического процесса его получения. Критериями, доказывающими стабильность качества, является постоянство следующих технологических параметров: температуры модифицирования, химического и фракционным состава модификатора, его расхода и способа ввода.

Таким образом, из результатов выполненной работы следует, что рациональная структура заэвтектического СЧ для отливки тормозного диска состоит из перлита пластинчатого и пластинчатого графита ПГд180-ПГд360, полученная по технологии без графитизирующего модифицирования.

Стабильность структуры и свойств СЧ в отливках тормозных дисков подтверждена их идентичными характеристиками, полученными в отливках с 1-й и последней форм разлитого ковша.

При получении СЧ с использованием ковшевого графитизирующего модифицирования или без него сравнение показателей структуры и свойств отливок, отобранных с 1-й и последней форм, позволяет выявить и проследить их наибольшие изменения в зависимости от падения температуры и повышения степени переохлаждения расплава чугуна в процессе его разливки из ковша по формам.

При этом отливки, отобранные с последней формы, являются по своей сути индикаторными, т.к. при соответствии их контролируемых показателей требованиям НД, отливки со всех предыдущих форм являются заведомо годными.

Литература:

1. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Т. 4. Чугун. Под. ред. канд. техн. наук Жукова А.А. и Шермана А.Д. Справочник в 5 т. – М.: Машиностроение, 1969. – 248 с.
2. Геллер Ю.А. Погодин-Алексеев Г.И., Рахштадт А.Г. Металловедение М., «Металлургия», 1967. – 404 с.

Авторы:

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

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

Давыдов Сергей Васильевич - д-р техн. наук, профессор Брянского государственного технического университета. Тел. +79103367349, e-mail: davidov69@tu-bryansk.ru