Повышение размерной точности отливок из высокопрочного чугуна и особенности его кристаллизации при литье в вакуумируемые формы

В части металлоемкости отливок отечественные цехи по ряду отраслей машиностроения еще сильно отстают от предприятий развитых государств. Применение литья из высокопрочного чугуна (ВЧ) способствует производству деталей малой металлоемкости, особенно в технологическом сочетании методов получения высокопрочных сплавов и формовки для точного литья. Повышающиеся требования к качеству, возрастание механических и эксплуатационных свойств металлоизделий в машиностроении требуют разработки новых эффективных способов управления процессами структурообразования при их получении, так как именно структура материала определяет его свойства. Однако выбор материалов базируются не только на критериях соответствия заданным свойствам, но и на экономии материальных и энергетических ресурсов в совокупности с экологической безопасностью на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная от производства и заканчивая утилизацией. Традиционные железоуглеродистые сплавы все чаще заменяются цветными или композиционными материалами, которые, несмотря на более высокую стоимость, обладают меньшей плотностью и большей эксплуатационной стойкостью.

Применяемые в машиностроении Fe-C сплавы - стали и чугуны - отличаются сравнительно низкой себестоимостью и высокими потребительскими свойствами, и конкурентоспособность изделий из сталей и чугунов можно улучшить путем повышения механических и эксплуатационных характеристик. В настоящее время разработано большое количество технологических способов, обеспечивающих улучшение свойств Fe-C сплавов, в большинстве своем они направлены на совершенствование структуры материалов.

Сравнительный анализ двух основных типов Fe-C сплавов показывает, что чугун обладает лучшими литейными свойствами, чем сталь, это позволяет получать готовые изделия непосредственно из литого состояния. В мировом выпуске отливок 103,2 млн. тонн за 2013 г. доля отливок из серого чугуна составляет 47,8 млн. т., из ВЧ – 25,1 млн. т., стали -11,1 млн. т. (Mod. Casting № 12 - 2014). Видно, что объем отливок из ВЧ почти в 2,5 раза превышает объем стального литья. Зачастую масса деталей из чугуна ниже, чем стальных, что объясняется присутствием в структуре графитовой фазы. Графитовые включения в структуре чугуна способствуют повышению демпфирующей способности, теплопроводности, коррозионно- и износостойкости изделий.

Однако графитовая фаза оказывает не только положительное, но и отрицательное воздействие на свойства чугуна. Графитовые включения, выступая в роли концентраторов напряжений, ослабляют металлическую матрицу, уменьшая механические свойства. Снизить отрицательное влияние включений графита можно за счет уменьшения их размеров и более равномерного их распределения в объеме металлической матрицы. Изменяя форму графитовых включений, их распределение и количество, в сочетании с рациональным структурированием металлической матрицы, можно эффективно управлять конечными свойствами чугуна [1].

Металлическая матрица в значительной степени определяет механические и эксплуатационные свойства литейных чугунов. Особенно очевидно это становиться в чугунах с шаровидной формой графита – марок ВЧ (ДСТУ 3925-99), где негативная разупрочняющая роль включений как концентраторов напряжений нивелируется их сферической формой. Для получения шаровидной графитовой фазы высокопрочного чугуна используют технологию модифицирования, наиболее широко применяя для этого модификаторы типа Fe-Si-Mg.

В свою очередь технология литейной формы существенно влияет на качество отливок, определяет принципы, которыми следует руководствоваться при конструировании отливок и выборе оптимального процесса их производства. Технологична такая конструкция литой детали, при которой можно изготовить отливку, отвечающую требованиям, предъявляемым к точности, шероховатости поверхности, физико-механическим свойствам и структуре металла при наименьших затратах на производство, включая издержки при последующей механической обработке.

В процессе отработки технологии литья из ВЧ 500-2 (ДСТУ 3925-99) корпусов распределителей гидросистем экскаваторов провели измерение размеров моделей и отливок, полученных в песчано-глинистые формы (ПГФ) по-сырому и песчаные вакуумируемые формы (ВФ) по ЛГМ-процессу (табл. 1).

Табл.1. Размеры отливок корпусов распределителей, полученных в ПГФ и ВФ.

Результаты обмеров свидетельствуют, что отливки, полученные в ВФ, имеют усадку по всем размерам ~1%, а отливки, полученные в ПГФ, практически не отличаются от модели. Измеряли среднюю массу отливки, которая в ПГФ равнялась 93,9±1,2 кг, а в ВФ 86,4±1,0 кг. Отливки в ПГФ получали с двумя прибылями, масса металла, ушедшая из прибылей и стояка (при опускании в них уровня металла после заливки) на питание таких отливок, составляла 6,4±0,5 кг, что соответствует измеренной разности масс отливок, полученных в сравниваемых формах. При этом расширение полости ПГФ в контакте с жидким и затвердевающим металлом происходит, прежде всего, благодаря миграции воды в толщу формы по известному механизму создания попереувлажненной зоны малой прочности, частичной деструкции связующего, давлению столба металла и действию предусадочного расширения ВЧ. Поэтому линейная усадка как разница средних размеров моделей и отливок практически отсутствовала при ПГФ.

Преимущества по металлосбережению реализовали таким образом, что отливки в ВФ получали без прибылей, которые заменили выпорами [2, 3]. Благодаря прочности уплотненного вибрацией до максимальной плотности сухого вакуумируемого песка стенки ВФ не деформируются при контакте с металлом от его металлостатического давления и предусадочного расширения. Благодаря присасывающему действию вакуума формы на металл практически исчезает газовый зазор между металлом и формой и ускоренно образуется корка толщиной 6-8 мм. Ее прочность и прочность формы способствуют удержанию без расширения отливки в ускоренно образуемой внешней металлической оболочке при затвердевании большей части металла в центральных частях стенок отливки. На момент полного затвердевания предусадочным расширением ВЧ, связанным с выделением графита, компенсируются усадочные процессы, связанные прежде всего с усадкой жидкой фазы, обеспечивая затвердевания отливки без усадочных раковин и пористости.

Указанная выше особенность – ускоренное затвердевание поверхностного слоя отливки, обычно на глубину ее стенки до 8 мм, в результате воздействия вакуума на металл закономерно отражается на структуре поверхностного слоя (рис. 1). Эта структура характеризуется в 4-5 раз более мелкими включениями графита, чем в среднем по телу отливки, а также значительным содержанием феррита (до 80 %) с твердостью металла не выше 180 НВ при твердости в среднем по сечению стенок отливки - около 200 НВ. Такая закономерность сочетания преимущественно ферритной матрицы с мелкими и частыми включениями графита подробнее описано для тонкостенного литья в контакте с ВФ и пристеночных слоев чугунных отливок в статье [4].

а	б

Рисунок 1. Структура (×100) ВЧ500-2 стенки моноблочного гидрораспределителя, отлитого в ВФ, по сечению на расстоянии от поверхности отливки: а - 2,5 мм; б - 25 мм.

Также подобная структура отливок из ВЧ, соответствующей маркировке 450-12, показана (рис. 2) на сайте компании Dura-Bar (www.dura-bar.com/products/65-45-12.cfm, США). Такая структура характерна для цилиндрических слитков диаметром порядка 500 мм. Слитки (круги в сечении) нескольких диаметров выпускаются этой компанией литьем в водоохлаждаемые многоразовые изложницы. Видно, что поверхностный слой («обод») обладает графитом повышенной дисперсности, аналогично структурам на рис. 1. Отсюда влияние стенки изложницы на кристаллизацию ВЧ можем уподобить ускоренному затвердеванию от воздействия вакуума при том, что центральные части отливки в песчаной ВФ затвердевают медленнее, чем в металлической водоохлаждаемой.

а	б

Рисунок 2. Структура (×100) ВЧ цилиндрического слитка на периферии (а) и в центре (б).

Возвращаясь к анализу размеров отливки, отметим, что усадка отливки в ВФ проходит в первоначально образованной металлической корке, прижатой вакуумом к поверхности формы, видна на размерах отливок с применением ВФ (табл. 1) и ее следует учитывать при изготовлении модели. Разница по массе отливок (средняя масса отливки 93,9 кг при ПГФ) по двум рассмотренным формовочным процессам до 7,5 кг позволит только за счет сокращения расхода жидкого металла сэкономить при переходе от ПГФ к ВФ 7,5×1000 / 93,9 ≈ 80 (кг) металла на 1 тонне отливок, а также сократить припуски на механообработку с учетом повышения точности отливки.

Рассмотренный пример может служить одним из аргументов для обоснования необходимости анализа и идентификации базовых литых конструкций транспорта (автотракторного, железнодорожного), трубопроводов, нефтехимической промышленности, горно-обогатительного комплекса с разработкой многоуровневой структуры определения и прогнозирования эксплуатационных характеристик таких базовых литых конструкций, а также создания структуры и параметрических признаков по оптимизации эффективных технологических процессов, направленных на получение точных отливок малой металлоемкости с прогнозируемыми потребительскими характеристиками.

Другим важным направлением литья из ВЧ является разработка новых технологических методов рационального модифицирования и легирования чугуна для получения требуемых размеров и формы графитовых включений, а также структуры металлической матрицы. Такой подход методами рационального структурирования позволят нивелировать роль графитовых включений как концентраторов напряжений в чугуне. Исследования в этой области открывают широкие перспективы для получения изделий из рационально структурированных литых чугунов, которые могут достойно конкурировать с конструкционными сталями [1]. На рис. 1, 2 мы видим, как лишь регулированием скорости охлаждения внутри стенки отливки можно достигать различной дисперсности зерновой структуры ВЧ.

Важное технологическое значение имеет подбор модификатора. Недостатком широко применяемых модификаторов ЖКМК(Fe—Si—Mg—Ca) – легковесных материалов - для ковшевой сфероидизирующей обработки чугуна является склонность их к всплыванию в открытом ковше со значительными газовыделениями и пироэффектом от горения магния. При этом выгорает магний, и наблюдается склонность к ошлакованию этих модификаторов при температуре чугуна ниже 1440 °С. Также имеет недостатки и автоклавный способ ковшевого модифицирования чугуна – случаи неоднородности металла по степени сфероидизации графита, значительную продолжительность обработки и разливки чугуна небольшими ковшами, помещаемыми в автоклавы.

При разработке состава и технологии применения лигатуры было изучено влияние элементов (%): 0,2-1,5 Mn; 0,03-1,5 Cu; 0,02-0,05 Sn на микроструктуру (количество и форму включений графита, содержание перлита) и механические свойства ЧШГ химического состава (%): 3,4-3,7 С; 2,4-2,8 Si; 0,01-0,015 S; 0,025-0,1 Р; 0,03-0,05 Мg; Fe - остальное. Установлено, что Mn, Cu и Sn улучшают форму включений графита, Cu эффективнее, чем Sn, способствует увеличению количества зародышей графита, что стимулирует графитизацию металла в жидком состоянии, тем самым понижая дефицит питания отливки и возможность образования усадочных дефектов. Содержание Mn выше 0,5 % уменьшает количество зародышей графита. Перлитную структуру ЧШГ обеспечивает содержание 1 % Cu или 0,08 % Sn, либо 0,4 % Mn и 0,6 % Cu [4], что весьма желательно для литья в ВФ, при котором отливки из ВЧ обычно имеют твердость на 10-15 НВ ниже, чем при ПГФ. Медь способствует улучшению механических свойств ЧШГ, при содержании 1,5 % Cu получен ЧШГ марки ВЧ700-2 в отливках без термообработки. Марганец и олово оказывают меньшее влияние на механические свойства ЧШГ, чем медь, т. к. добавка марганца приводит к укрупнению зерна перлита, а добавка олова – к его микроликвации по границам зерен [5].

Лигатуру изготавливали в литейном цехе ее применения путем расплавления катодной меди М1к (ГОСТ 546-88) в индукционной печи с последующим перегревом до 1160-1200 °С. Затем в тигель добавляли кусковой металлический магний Мг95 (ГОСТ 804-93) - вводили через зеркало металла, присыпанное слоем древесного угля или графитовой стружки толщиной 20-30 мм. Количество магния рассчитывали из потребности содержания его в лигатуре при усвоении в расплаве меди 90-95 %. После усвоения магния лигатуру разливали в плоские чугунные изложницы.

Медно-магниевая лигатура состава 95 % Cu и 5 % Мg имеет температуру плавления до 900 °С, что позволяет ей легко растворяться в чугуне при модифицировании, не требуется ее мелкого дробления [5, 6]. Наиболее простое по операциям применения и с меньшей трудоемкостью, чем внутриформенное, ковшевое модифицирование имеет то преимущество, что перед заливкой в форму можно взять пробу из ковша и экспресс-анализом определить химический состав чугуна и, в частности, критическое содержание модифицирующих элементов. Совершенствуются также способы термического экспресс-анализа чугуна, чем активно занимается группа ученых под рук. Захарченко Э.В. во ФТИМС НАНУ.

Кроме того, изготавливали лигатуру следующего состава (%): 60 Cu; 5 Мg; 10 ФС30РЗМ30 (ТУ 14-5-138-81); 15 ферромарганца ФМн75 (ГОСТ 4755-91), 10 стальной обрези. При выплавку этой лигатуры в шихту добавляли медь и сталь, после расплавления в металл – ферромарганец, модификатор с РЗМ, а перед разливкой – магний [6]. Эта комплексная лигатура экономит медь, за счет добавок РЗМ повышает надежность сфероидизации графита путем связывания элементов-демодификаторов, неконтролируемых по химическому составу в шихте чугуна.

Модифицирование чугуна лигатурами в количестве 1,5-1,7 % производят в открытом ковше. Лигатуры имеют удельный вес, близкий к чугуну, в отличие от широко применяемых кремниевых составов типа ЖКМК. Это затрудняет их всплывание на поверхность чугуна при модифицировании. Усвоение Мg составляет свыше 70 %. Для модифицирования не требуется высокий перегрев чугуна. Разливку в формы можно вести при температуре ниже 1300 °С, что применимо для толстостенных отливок без применения прибылей [2, 3], в частности, отливок гидрораспределителя из ВЧ500-2 (рис. 3). Процесс модифицирования сопровождается весьма незначительными выделениями газов, что существенно улучшает условия труда – предотвращает загазованность литейного цеха. В большинстве случаев ускоряется процесс модифицирования и разливки металла, повышается производительность плавильных участков, не требуется мелкого дробления модификаторов, их пригрузки в ковше, специальных закрытых ковшей. Лигатуры на основе меди внедрены на ряде машиностроительных предприятий СНГ, в том числе для получения отливок без прибылей в песчаных ВФ с использованием указанных способов.

На рис. 3 показаны примеры отливок из высокопрочного чугуна, полученные в ВФ: отливка моноблочного гидрораспределителя из ВЧ500-2, а также модель и отливка головки блока цилиндров из ВЧ450-5.

Рисунок 3. Примеры отливок из высокопрочного чугуна, полученные в ВФ: отливка моноблочного гидрораспределителя из ВЧ500-2, а также модель и отливка головки блока цилиндров из ВЧ450-5.

Рассмотренные примеры литья ВЧ в ВФ, сравнение структуры отливок, полученных в ВФ и охлаждаемую изложницу, а также примеры выплавки тяжеловесной лигатуры для ковшевого модифицирования одновременно с перлитизацией строения ВЧ относятся к малозатратным литейным технологиям, обладающим предпосылками для создания методов планомерного регулирования структуры и свойств отливок. Литье в ВФ, в свою очередь, обеспечивает удаление газов из контактной зоны «металл-форма» сквозь песчаную среду формы и систему вакуумирования на последующую их очистку, что в совокупности описанным модифицированием с низкой газотворностью тяжеловесной лигатурой улучшает экологическую культуру литейного производства.

Литература: