Особенности модифицирования и графитообразования до- и заэвтектических СЧ

Описаны сложности и проблемы достижения благоприятной морфологии графитной фазы в высокоуглеродистом заэвтектическом СЧ. Показано, что после графитизирующей ковшевой обработки расплава высокоуглеродистого заэвтектического СЧ способом «под струю единой порцией» модификаторами на основе ФС65-ФС75 с содержанием комплекса ЩЗМ:  кальция до 2%, бария до 3%, стронция до 1% (модификаторы BarinocÒ75, L-castÒ705) его структура в зонах, кристаллизующихся после эвтектического превращения, характеризуется завихрённой формой ПГф2 колониально распределённого графита ПГр3. Благоприятная структура высокоуглеродистого заэвтектического СЧ, представленная равномерным распределением графита ПГр1 преимущественно прямолинейной формы ПГф1 при минимальном количестве завихрённой формы ПГф2, достигается графитизирующей обработкой расплава способом «под струю единой порцией» комплексно легированным ЩЗМ модификатором с повышенным содержанием кальция 2,5-4,0%, бария 3,3-7,0% и стронция 1,0-2,5% (модификатор L-castÒ710).

Ключевые слова: высокоуглеродистый заэвтектический СЧ, модифицирование, структура.

В настоящее время высокоуглеродистый заэвтектический СЧ до недавнего времени не признававшийся полноценным конструкционным материалом (марки СЧ10, СЧ15 по ГОСТ 1412-85) ввиду низких по сравнению с доэвтектическими чугунами (марки СЧ 20 - СЧ35 по ГОСТ 1412-85) механических свойств, находит всё более широкое применение, в частности, в высоконагруженных тормозных системах для изготовления деталей «Диск переднего тормоза» (рис. 1) автомобилей классов C и D.

Заэвтектические серые чугуны в прошлом не были востребованы промышленностью из-за особенностей кристаллизации и затруднённостью проведения обычного графитизирующего модифицирования.

В серийных серых доэвтектических чугунах ведущей фазой при кристаллизации является аустенит. В этом случае графит выделяется не из жидкости, а из аустенита. В связи с меньшей скоростью диффузии атомов углерода из кристаллизующегося аустенита, скорость поперечного роста растущей ветви графита мала. В связи с этим ветви графитного скелета колоний утолщаются незначительно и имеют утончённую, почти прямолинейную или плавно изгибающуюся форму. В процессе графитизирующего модифицирования серого чугуна происходит измельчение зёрен первичного аустенита и, как следствие, измельчение графитной фазы. При этом полностью подавляется кристаллизация графитной эвтектики.

При кристаллизации заэвтектических чугунов первичный графит, как ведущая фаза, зарождается и растёт в высокоуглеродистой жидкости, в которой диффузионные потоки углерода и железа ничем не ограничены. В расплаве постоянно поддерживается состояние пересыщения по углероду, что приводит к интенсивному росту графитных включений как по длине, но и по толщине. При достижении в расплаве чугуна эвтектической концентрации углерода происходит, соответственно, эвтектическая кристаллизация с формированием крупных эвтектических розеток. Эвтектический распад протекает также с выделением междендридного графита и последующей ферритизацией металлической основы. Крупные разветвлённые включения первичного графита, эвтектические розетки, междендридный графит и преимущественно ферритная матрица резко снижают уровень прочности заэвтектических чугунов. Блокирование роста первичного графита и, прежде всего, затруднение его поперечного роста типовыми модификаторами неэффективно. Это объясняется тем, что столь интенсивный рост первичного графита определяется чрезвычайно низким поверхностным натяжением на межфазовой поверхности «графит-расплав».

Повышение поверхностного натяжения при кристаллизации первичного графита в заэвтектических серых чугунах стало возможным за счёт его обработки модификаторами с щёлочно-земельными металлами (ЩЗМ).

В автомобилях классов А и В, характеризующихся менее мощным двигателем, более простой подвеской и уменьшенной колёсной базой, для изготовления тормозных дисков полностью функционально удовлетворяют по механическим и теплофизическим свойствам доэвтектические СЧ.

Достижение требуемых структурных показателей отливок из доэвтектических СЧ - равномерно распределённого графита ПГр1 при перлитной структуре без особых технологических затруднений обеспечивается использованием графитизирующих модификаторов на основе ФС65-ФС75 с содержанием комплекса ЩЗМ:  кальция до 2%, бария до 3%, стронция до 1% (модификаторы BarinocÒ75, L-castÒ705).

При освоении отливок «Диск переднего тормоза» из высокоуглеродистого заэвтектического СЧ, аналогичного СЧ15, в результате графитизирующей ковшевой обработки расплава способом «под струю единой порцией» модификаторами BarinocÒ75, L-castÒ705 в структуре зон, кристаллизующихся после эвтектического превращения, преобладает колониальное распределение ПГр3 графита завихрённой формы ПГф2 (рис. 2).

Рисунок 1. Деталь «Диск переднего тормоза»

Фактические диапазоны содержания химических элементов в составе высокоуглеродистых заэвтектических СЧ для отливок «Диск переднего тормоза», %масс:

С 3,75-3,85; Si 1,8-2,0; Mn 0,40-0,85; P £ 0,025;

S 0,07-0,10; Ni £ 0,02; Cu 0,5-1,0; Sn 0,09-0,10.

Для достижения требуемых показателей структуры заэвтектического СЧ был применён более эффективный графитизирующий модификатор L-castÒ710 с повышенным содержанием кальция 2,5-4,0%, бария 3,3-7,0% и стронция 1,0-2,5%.

По результатам исследований в структуре отливок «Диск переднего тормоза» из высокоуглеродистого заэвтектического СЧ преобладает равномерное распределение графита ПГр1прямолинейной формы ПГф1 при минимальном количестве завихрённой формы ПГф2 (рис. 3).

Все исследованные модификаторы (BarinocÒ75, L-castÒ705, L-castÒ705) имеют принципиальное отличие между собой по показателю живучести, т.е. способности сохранять графитизирующий эффект (количество и размер ЦЗГ) во времени с момента окончания его растворения в расплаве чугуна, зависящего, прежде всего, от содержания в химическом составе активных графитизирующих элементов, в данном случае – ЩЗМ, являющихся ПАВ и реализующих механизм ингибиторного модифицирования [1].

Данный механизм модифицирования для графитизирующих модификаторов заключается в повышении поверхностного натяжения расплава активными элементами (Ba, Ca, Sr, Zr, РЗМ) для дополнительного стимулирования графитообразования [1].

Рисунок 2. Формы ПГф1, ПГф2 (а, б) и распределения ПГр1, ПГр3 (в, г) графитных включений и области с неблагоприятной структурой (д, е, ж)в сердцевине отливки «Диск переднего тормоза» из модифицированного BarinocÒ75, L-castÒ705 высокоуглеродистого заэвтектического СЧ (х100)

Принимая во внимание, что все модифицирующие материалы испытывались в идентичных условиях (температура расплава чугуна в печи (1430°С) и ковше (1360°С), ковшевой расход модификаторов (0,27%), масса расплава чугуна в ковше (1100 кг), отбел клиновой пробы (1,5-1,6 мм)) вполне корректно представить качественную сравнительную схему их живучести (рис. 4).

Рисунок 3. Структура графита в сердцевине (а, б, в) отливки «Диск переднего тормоза» из модифицированного L-castÒ710 высокоуглеродистого заэвтектического СЧ (´100)

 Рисунок 4. Схема живучести исследованных модификаторов

Из схемы следует, что изначально, непосредственно после окончания усвоения модификаторов расплавом степень графитизации чугуна (удельное количество эвтектических ячеек) в каждом случае одинакова. Дальнейшее различие живучести исследованных модификаторов, визуально определяемое качеством структуры чугуна в отливках, напрямую связано с количеством ЩЗМ в химическом составе модификатора.

Следует отдельно остановиться на отличительных особенностях форм и распределений графитной фазы в структуре до- и заэвтектического СЧ в модифицированном и в недостаточно модифицированном состоянии (в котором они наиболее контрастны): в структуре недостаточно модифицированного доэвтектического СЧ присутствуют междендритные направленное ПГр9 и ненаправленное ПГр8 распределения графита (рис. 5) прямолинейной формы ПГф1 (рис. 2а), в то время как структура не достаточно модифицированного заэвтектического СЧ характеризуется колониальным распределением графита ПГр3 завихрённой формы ПГф2 (рис. 2д-ж).

Рисунок 5. Распределения ПГр8 (а), ПГр9 (б) графитных включений в недостаточно модифицированном доэвтектическом СЧ (х100)

Структура графита в модифицированном до- и заэвтектическом СЧ практически идентична и представляет собой равномерное распределение ПГр1 прямолинейной формы графита ПГф1. Различие состоит только в размере графитной фазы: в доэвтектическом СЧ она максимально ограничивается ПГд180, в заэвтектическом - ПГд750.

Количество пластинчатого графита в до- и заэвтектических СЧ принципиально разнится, что связано с естественной более высокой графитизацией заэвтектических СЧ по сравнению с доэвтектическими СЧ, дополнительно усиленной графитизирующим модифицированием расплава чугуна. Для доэвтектических СЧ количество включений графита оценивается в диапазоне ПГ6-ПГ10, а для заэвтектических СЧ ³ ПГ12. При этом особенностью заэвтектических СЧ является одинаково высокое количество включений графита в структуре отливки независимо от применяемого графитизирующего модификатора, влияющего в большей степени на форму, распределение и размер включений графита.

Литература:

1. Болдырев, Д.А. Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием [Текст]: дисс. … д-ра техн. наук / Д.А. Болдырев - Самара: СамГТУ, 2013. - 332 с.

Авторы:

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

Иванов Сергей Викторович - начальник лаборатории, ОАО «АВТОВАЗ». Тел. +79272110548, e-mail: SerV.Ivanov@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

Панов Алексей Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета. Тел. +79172703043, e-mail: alexey@modificator.ru