Технологические особенности получения различных марок высокопрочного чугуна

Цель работы: обобщить имеющийся производственный технологический опыт получения различных марок высокопрочного чугуна.

ВЧ50. В чугунолитейных производствах и цехах российских машиностроительных предприятий самой распространённой маркой высокопрочного чугуна является ВЧ50. Данная марка наиболее технологически проста и экономична в получении, требуемые параметры микроструктуры (ССГ ≥ 80%, содержание феррита в феррито-перлитной металлической основе ≥ 75%) и показатели механических свойств (σ_в≥ 500 МПа, δ≥ 7%) достигаются при закладываемом химическом составе, состоящем из основных, классических для чугуна, элементов - углерода и кремния, при ограниченном содержании марганца (до 0,3%) и примесных элементов - фосфора (до 0,010%) и серы (до 0,012%). Для её изготовления не требуется дополнительного введения любых других микролегирующих элементов в шихтозавалку или при внепечной обработке, отсутствует необходимость в последующей термической обработке отливок (как упрочняющей (нормализации), так и пластифицирующей (отжиг)). Требования к степени сфероидизации графита только для данной марки являются более низкими - не менее 80%, тогда как и для более низких (ВЧ35, ВЧ40) и для более высоких марок (ВЧ60-ВЧ100) - не менее 90%. Не выдерживание данного требования по ССГ не позволяет стабильно получать нормируемые показатели относительного удлинения в марках ВЧ35 (≥ 22%), ВЧ 40 (δ ≥ 15%) и показатели временного сопротивления в марках ВЧ60-ВЧ100.

Для получения марки ВЧ50 могут быть применены все возможные разновидности и модификации базовой технологической схемы ковшевого сфероидизирующего модифицирования «лёгкими» лигатурами - «сэндвич»-процесс (отдельные апробированные в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» приведены на рис. 1) [1-3].

Однако более рациональными, с точки зрения трудоёмкости изготовления конструкции футеровки ковша путём её дооснащения и процесса обработки расплава чугуна в ковше «лёгкой» лигатурой, гарантирующими формирование ССГ в чугуне не менее 80%, являются апробированные в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» такие технологические схемы как «модифицирование в плавящемся контейнере» и «заливка сверху» (рис. 2) [4-6].

(а)	(б)		(в)
Рис. 1. Технологические схемы ковшевого сфероидизирующего модифицирования высокопрочного чугуна «лёгкими» лигатурами на основе «сэндвич»-процесса, апробированные в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ»
(а)				(б)
Рис. 2. Технологические схемы ковшевого сфероидизирующего модифицирования высокопрочного чугуна «лёгкими» лигатурами - «заливка сверху» (а) и «модифицирование в плавящемся контейнере» (б)

ВЧ35, ВЧ40. Гарантированное стабильное получение более низких, по сравнению с ВЧ50, марок высокопрочного чугуна, таких как ВЧ35, ВЧ40 в литых заготовках даже при полностью ферритной металлической основе и ССГ ³ 90%, как правило, не обеспечивается. Стабильно высокая пластичность чугунов данных марок (d³ 15%) достигается только после проведения такого вида термической обработки как отжиг. Режим отжига назначается исходя из особенностей конструкции и габаритов отливок. Например, для таких деталей как «Кулак поворотный» (рис. 3) и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» (рис. 4) легкового автомобиля отжиг по режиму 750°С x 2 часа позволяет обеспечить стабильное формирование требуемых параметров микроструктуры и показателей механических свойств к марке ВЧ40 [7]. Температура отжига назначается выше эвтектоидной температуры - линии Ас₁ (PSK) с целью полного разложения перлита с учётом разброса температуры по пространству печи (для промышленной печи ±10°С).

Рис. 3. Отливка «Кулак поворотный»	Рис. 4. Отливка «Корпус подшипника ступицы заднего колеса»

ВЧ60-ВЧ100. Получение стабильных показателей структуры и свойств более высоких по сравнению с ВЧ50 марок чугунов ВЧ60-ВЧ100 обеспечивается либо при дополнительном микролегировании расплава чугуна в печи или ковше чаще всего такими экономичными упрочняющими элементами как марганец и/или медь, либо проведением такой операции термической обработки как нормализация. При получении высших марок высокопрочного чугуна - ВЧ80, ВЧ100 проводится микролегирование расплава чугуна с последующей нормализацией отливок. Процесс микролегирования может быть частично или полностью совмещён с операцией сфероидизирующего модифицирования при обработке расплава чугуна «тяжёлыми» (Ni-Mg, Cu-Mg, Cu-Ni-Mg) или «полутяжёлыми» (Cu-Si-Mg, Fe-Cu-Si-Mg) лигатурами [8, 9] или проводиться автономно при обработке расплава чугуна «лёгкими» лигатурами системы Fe-Si-Mg. Например, при изготовлении в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» опытных отливок «Коробка дифференциала» (рис. 5) для перспективных моделей автомобиля из высокопрочного чугуна марок ВЧ60 и ВЧ70 проводилось микролегирование базового химического состава марки ВЧ50 марганцем и медью [10]. Для достижения требуемых параметров микроструктуры и показателей механических свойств высокопрочного чугуна марки ВЧ75 для отливок «Вал коленчатый» (рис. 6) в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» применяется микролегирование расплава высокопрочного чугуна марганцем и медью и нормализация отливок от температуры аустенизации 860°С. По результатам проведения опытных работ по испытанию «полутяжёлой» лигатуры Cu-Si-Mg-Са-РЗМ при получении отливок «Вал коленчатый» установлено, что в литом состоянии может достигаться марка ВЧ80, а после нормализации от температуры аустенизации 900°С - ВЧ100 [11].

Рис. 5. Отливка «Коробка дифференциала»	Рис. 6. Отливка «Вал коленчатый»

ЧСГ. Отдельно следует остановиться на чугуне со смешанным - вермикулярным и шаровидным - графитом (ЧСГ). До сих пор сохраняется распространённая и устоявшаяся точка зрения, что чугун с содержанием шаровидного графита менее 80% уже не определяется как высокопрочный чугун с шаровидным графитом, но и не классифицируется как чугун с вермикулярным графитом, являясь, при этом, примитивным продуктом нестабильной, неотработанной технологии. Однако на практике было доказано, что ЧСГ может быть применён для изготовления некоторых деталей автомобиля, требующих повышенных теплофизических свойств. Например, в некоторых моделях автомобилей ВАЗ из чугуна со смешанным неоговариваемым содержанием шаровидного и вермикулярного графита изготавливается такая термически и механически нагруженная деталь как «Коллектор выпускной» (рис. 7), изначально получаемая из высокопрочного чугуна марки ВЧ50. Результаты стендовых натурных и дорожных ресурсных испытаний убедительно доказали равнозначную работоспособность выпускных коллекторов из ВЧ50 и ЧСГ, так как при любом самом широком варьировании содержания вермикулярного графита в структуре чугуна его теплофизические характеристики будут выше, чем у стандартного высокопрочного чугуна марки ВЧ50. При этом технология получения ЧСГ является наиболее простой, так как предполагает использование имеющихся ковшей для сфероидизирующей обработки с исходной конструкцией футеровки, а также любых магнийсодержащих лигатур («тяжёлых», «полутяжёлых» или «лёгких») по принципу «недомодифицирования» при их правильно подобранном расходе, исключающем формирование в микроструктуре чугуна пластинчатой формы графита.

Рис. 7. Отливка «Коллектор выпускной»

Вывод:

Таким образом, из наиболее распространённой марки высокопрочного чугуна ВЧ50 могут быть получены как более низкие (ВЧ35, ВЧ40), так и более высокие марки (ВЧ60-ВЧ100) за счёт избирательного использования операций термической и микролегирующей обработки. Показано, что чугун со смешанным шаровидным и вермикулярным типами графита (ЧСГ), несмотря на примитивность технологии его получения, в отдельных случаях может быть использован взамен высокопрочного чугуна марки ВЧ50.

Литература:

1. Болдырев Д. А. Особенности получения отливок из ВЧШГ по технологии ковшевого модифицирования на основе «сэндвич»-процесса // 6-я Всероссийская научно-практическая конференция «Литейное производство сегодня и завтра»: Сборник трудов. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2006. С. 95-99
2.  Болдырев Д. А. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугунов // Литейное производство. 2006. №12. С. 9-13
3. Болдырев Д. А. Освоение новых модификаторов и технологий модифицирования для получения литых заготовок в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» // 2-й Литейный консилиум «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов»: Сборник трудов. - Челябинск: ООО «ИЦМ», 2007. С. 109-119
4. Болдырев Д. А., Крючков Ю. П. Контейнерная технология сфероидизирующего модифицирования ВЧШГ // 6-я Всероссийская научно-практическая конференция «Литейное производство сегодня и завтра»: Сборник трудов. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2006. С. 99-102
5. Болдырев Д. А. Освоение и внедрение технологии модифицирования «заливка сверху» для получения отливок из высокопрочного чугуна низких марок // IV Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии»: Труды конференции. - М.: МИСиС, 2007. С. 66-71
6. Болдырев Д. А., Давыдов С. В. Разработка и внедрение технологии ковшового модифицирования «заливка сверху» для получения отливок из чугуна с компактным графитом низких марок // Литейщик России. 2008. №8. С. 27-29
7. Болдырев Д. А., Давыдов С. В. Изготовление деталей шасси автомобиля из ВЧШГ ферритного класса // Литейщик России. 2008. №9. С. 54-57
8. Болдырев Д. А., Давыдов С. В. «Тяжёлые» лигатуры для получения отливок из высокопрочного чугуна высоких марок и их особенности // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. №10. С. 13-18
9. Болдырев Д. А., Жарков В. И., Пичугин А. А. Комплексные лигатуры Cu-Ni-Mg-РЗМ и Cu-Si-Mg-РЗМ для ковшевого сфероидизирующего модифицирования и микролегирования ВЧ высоких марок при получении автомобильных отливок // Литейщик России. 2011. №7. С. 11-16
10. Болдырев Д. А. Освоение производства высоких марок высокопрочных чугунов для отливок деталей «Коробка дифференциала» КПП перспективных силовых агрегатов автомобилей ВАЗ // Литейное производство. 2013. №4. С. 24-29
11. Болдырев Д. А., Жарков В. И., Пичугин А. А. Перспективные многокомпонентные лигатуры комплексного действия для получения графитизированных конструкционных чугунов на перлитной основе // 9-я Международная научно-практическая конференция «Литейное производство сегодня и завтра»: Сборник трудов. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2012. С. 189-201

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №08 (157) 2013 г.