Влияние эвтектичности на особенности графитообразования в отливках из СЧ

Рассмотрены особенности структур графитных включений в серых чугунах низших марок (СЧ10, СЧ15) в зависимости от их эвтектичности. Установлено различие в структурных особенностях графитных включений заэвтектических и эвтектических серых чугунов, заключающееся в том, что заэвтектические серые чугуны имеют широкий диапазон распределения графитных включений от ПГр1 до ПГр7. Графитные розетки – крупные и состоят из пластинок примерно одинакового размера. В эвтектических серых чугунах графитные включения имеют распределение ПГр7. Графитные розетки имеют крупные пластинки на периферии, а в центральной части располагается мелкий, завихрённый графит. Межрозеточное пространство заполнено колониями из мелких пластинок эвтектического и вторичного графита.

Ключевые слова: чугун, модифицирование, микролегирование, рациональная структура, стабильность свойств.

Ферритные серые чугуны СЧ10, СЧ15 предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей. В настоящей работе объектом исследования явилась наиболее распространённая и в то же время достаточно ответственная деталь машиностроительного назначения - диск переднего тормоза. В таблице 1 приведён химический состав чугуна указанной отливки.

Таблица 1 - Химический состав отливок тормозных дисков из СЧ

Как видно из таблицы 1, для получения отливок диска переднего тормоза использовались два вида чугуна – заэвтектический и эвтектический. Особенностью этих чугунов является то, что они имеют одинаковое содержание углерода, но разное количество кремния (разница составила 0,26%_масс. Это обстоятельство повлияло на величину углеродного эквивалента, рассчитанного по методике [1]. Из таблицы 1 следует, что снижение содержания кремния привело к уменьшению углеродного эквивалента на 0,1%. Это изменение достаточно небольшое. Тем не менее, даже такое незначительное увеличение углеродного эквивалента в заэвтектическом чугуне по сравнению с эвтектическим (таблица 1) обусловило более сильный потенциал графитизации, что сказалось на достаточно существенном различии структуры графитных включений в указанных чугунах.

На рисунках 1 и 2 показана морфология графита в структуре заэвтектического и эвтектического чугунов (таблица 1). На этих рисунках достаточно отчётливо просматривается разница в структуре графитных включений заэвтектического и эвтектического чугуна. С целью облегчения обнаружения указанной разницы в структуре выделены характерные участки. В заэвтектическом сером чугуне первичный графит формируется в виде крупных розеток с пластинками примерно одинакового размер переходного распределения ПГр1-ПГр7 (таблица 1, рисунок 1а-з). В эвтектических серых чугунах графитные включения имеют распределение ПГр7. Графитные розетки характеризуются крупными пластинками на периферии, а в центральной части располагается мелкий, завихрённый графит. Межрозеточное пространство заполнено колониями из мелких пластинок эвтектического и вторичного графита (таблица 1, рисунок 2а-з). Отмеченная выше особенность морфологии графитных включений в сером чугуне для ряда машиностроительных деталей имеет большое значение. Хорошо известно [2], что служебные свойства серых чугунов во многом определяются структурой графитных включений. Отливка диска переднего тормоза изготавливается из серого чугуна марки СЧ15 и в этом плане не является исключением. ГОСТ 1412-85 регламентирует только основные механические свойства указанного материала - временное сопротивление и твёрдость по Бринеллю. Однако практика эксплуатации дисков переднего тормоза показала, что эти стандартные механические свойства СЧ15 (s_в, НВ) не являются определяющими. Приоритетными свойствами материала отливок переднего тормоза являются прежде всего такие как трещиностойкость и износостойкость, а требованиям по твёрдости и прочности отводятся по значимости второе и третье места соответственно.

Исходя из вышеизложенного, в чугунолитейном производстве главным показателем применяемых технологий получения чугунных отливок является стабильное обеспечение рациональной структурыматериала отливок и их свойств.

Рациональная структура- структура с требуемыми или улучшенными параметрами и уменьшенной дефектностью, полученная по наиболее целесообразной технологии с точки зрения регламентируемого НД уровня получаемых свойств. Другими словами, под рациональной подразумевается структура, в полной мере соответствующая заданным показателям (критериям) качества в реальных производственных условиях.

Приведём ряд примеров требований к рациональной структуре различных видов чугунов для отливок. Общим требованием для всех типов чугунов, в которых основная масса углерода представлена графитом, является отсутствие отбела (свободного цементита) и макродефектов в виде пор, раковин, инородных включений. К серым чугунам с пластинчатым графитом требования к структуре таковы: равномерное распределение графитных включений (ПГр1), отсутствие междендритных распределений (ПГр8, ПГр9), перлитная металлическая основа. Для высокопрочных чугунов, характеризующихся шаровидной формой графитных включений (ВЧШГ), основным требованием является достижение максимальных значений степени сфероидизации графитовых включений (ССГ), которая должна быть как минимум 80% у низких марок и 90% у средних и высоких марок. Графитизированные чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) должны иметь извилистую и утолщённую форму включений графита ВГф2 и ВГф3 соответственно, а количество их во всех сечениях отливки должно составлять не менее 60%.

Как было отмечено выше, технология получения чугунных отливок должна отличаться стабильностью относительно состава, структуры и свойств металла в пределах стандартной партии. Это обстоятельство во многом определяется устойчивостью технологического процесса модифицирования расплава чугуна, которое предполагает постоянство следующих параметров: температуры модифицирования, химического, фазового и фракционного состава модификатора, его расхода и способа ввода. Практическим опытом производства отливок из серого чугуна (СЧ) установлено, что операция графитизирующего модифицирования является обязательной для доэвтектических и эвтектических чугунов. Что касается заэвтектических чугунов, то их графитизация может происходить при значительно меньшем расходе модификатора или даже без него. Характерным показателем качества процесса графитизации в чугунах является величина клиновой пробы. На рисунке 3 приведены результаты исследования влияния расхода графитизирующего модификатора на величину клиновой пробы при ковшевом модифицировании заэвтектического серого чугуна. Статистическая обработка экспериментальных данных показала достаточно тесную связь между указанными параметрами при аппроксимации её полиномом третьей степени. Обсуждаемая зависимость устанавливает, что величина клиновой пробы заэвтектического серого чугуна без графитизирующего его модифицирования равна 2,34 мм.

Вышеприведённые особенности графитизирующего модифицирования серых чугунов в зависимости от их химического состава, влияющего на степень эвтектичности, позволяют значительно расширить область применения низших марок серых чугунов СЧ10 и СЧ15. В этом плане примечателен производственный опыт чугунолитейного завода ОАО «Руслич» (г. Верхняя Салда) - производителя чугунных отливок распределительных валов в плакированные формы с холодильниками по технологии, исключающей графитизирующее модифицирование. Отливки отличаются высоким качеством с обеспечением высокой твёрдости поверхностного слоя на кулачках путём целенаправленного формирования в нём отбела без использования последующего поверхностного переплава.

Возвращаясь к проблеме материала для изготовления отливок диска переднего тормоза (таблица 1), были изготовлены 2 опытные партии, в которых серый чугун по химическому составу был практически идентичным за исключением содержания кремния. При этом один из них (первая строчка в таблице 1) имел заэвтектический состав, а другой (вторая строчка в таблице 1) – эвтектический. Это обстоятельство в силу вышеприведённых рассуждений привело к тому, что 2 опытные партии отливок были изготовлены в совершенно идентичных условиях за исключением одного: заэвтектический чугун не подвергался графитизирующему модифицированию. Тем не менее, результаты исследования механических свойств металла обеих партий отливок показали, что требования ГОСТ 1412-85 по отношению к марке чугуна СЧ15 удовлетворены. Конкретные данные следующие: эвтектический чугун -s_в^ср 165,5 МПа, НВ^ср 185 в диапазоне изменения твёрдости 178-189; заэвтектический чугун -s_в^ср 161 МПа, НВ^ср 190НВ в диапазоне изменения твёрдости 180-204. Несмотря на отсутствие графитизирующего модифицирования у заэвтектического чугуна его микроструктура определённо отвечает вышеприведённым требованиям рациональности. Металлическая основа представлена пластинчатым перлитом. Включения графита также имеют пластинчатую форму размером ПГд180-ПГд360. Исследования также показали, что структура и свойства заэвтектического чугуна в отливках тормозных дисков стабильны, то есть имеет место идентичность характеристик отливок, полученных с 1-й и последней форм разлитого ковша, несмотря на то, что в процессе разливки чугуна из ковша по формам происходит естественное падение температуры расплава чугуна и его размодифицирование. При этом отливки, отобранные с последней формы, являются по своей сути индикаторными, т.к. при соответствии их контролируемых показателей требованиям нормативной документации, отливки со всех предыдущих форм являются заведомо годными.

Приведём теоретическое обоснование особенностей кристаллизации серого чугуна из расплава. Образование графита из жидкой фазы с термодинамической точки зрения возможно в достаточно узком интервале между равновесными температурами кристаллизации стабильной системы «аустенит – графит» и метастабильной системы «аустенит – цементит», в котором свободная энергия графита меньше, чем цементита. Для СЧ слегка заэвтектического состава (при %С немногим более 4,26%), данный температурный интервал составляет всего 50-60⁰С. Процесс графитообразования из жидкости требует большого объёмного массопереноса (диффузии), так как работа образования графитных зародышей велика, и протекает достаточно медленно. Поэтому кристаллизация чугунов по стабильной системе может реализовываться только при медленном охлаждении, когда обеспечивается интенсивная восходящая диффузия атомов углерода и отвод атомов железа от фронта кристаллизации. Кроме того, взвешенные частицы всегда присутствующих в расплаве различных примесей, на которых может начаться кристаллизация графита, облегчают процесс зародышеобразования. В этом случае важно не перегревать чугун, чтобы мельчайшие частицы не растворялись в жидкой фазе. Таким образом, для получения немодифицированного серого чугуна необходимо обеспечить определённую температуру расплава и низкую скорость охлаждения. Как известно, скорость охлаждения определяется градиентом температур и количеством отводимой теплоты перегрева и кристаллизации. Согласно закону охлаждения Ньютона:

dQ/dt= αA(T-T_s), где Q- количество отводимой теплоты, t – время, А - площадь поверхности, α - коэффициент теплопередачи, Т_s-температура формы, Т - температура заливаемого металла.

Если учесть, что количество теплоты зависит от удельной теплоёмкости (С) и массы тела (m): Q= CmT, то скорость охлаждения можно выразить как dT/dt = αA(T-T_s)/Cm.

Коэффициент теплопередачи α является величиной обратной суммарному тепловому сопротивлению, включающему тепловое сопротивление расплава, твёрдого металла, граничного сопротивления «металл-форма» и «форма-окружающая среда». Следовательно, чем меньше степень переохлаждения и больше масса отливки (при прочих равных условиях), тем ниже скорость охлаждения и выше вероятность кристаллизации немодифицированного чугуна из расплава серым с выделением первичного графита. Более того, температура расплава уменьшается со временем по экспоненциальному закону, а значит наиболее важно уменьшить скорость охлаждения на начальном этапе кристаллизации, т.е. минимизировать степень переохлаждения (DT) и обеспечить максимальное время нахождения расплава в межкритическом интервале температур кристаллизации системы «железо - углерод». В процессе разливки расплава чугуна по литейным формам и его кристаллизации в общем случае протекают 2 конкурирующих процесса, разнонаправленно влияющих на его склонность к отбелу - снижение степени переохлаждения за счёт уменьшения температуры чугуна при его остывании и количества центров зарождения графита (ЦЗГ). Производственная практика получения отливок из СЧ (например, в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ») показывает, что величина отбела клиновой пробы в меньшей степени зависит от степени переохлаждения и в большей - от количества ЦЗГ (рис. 4), а также, что величина отбела клиновой пробы в процессе разливки расплава чугуна увеличивается за счёт более интенсивного снижения количества ЦЗГ по сравнению с уменьшением степени переохлаждения (рис. 5).

Таким образом, использование заэвтектических серых чугунов как материала для отливок из низших марок СЧ10, СЧ15 открывает резервы по оптимизации технологии литья (исключение обязательности графитизирующего модифицирования) с получением рациональной и стабильной структуры и свойств металла отливок. При необходимости, для получения более мелких отливок из СЧ графитизация чугуна без использования модификаторов и более низкая скорость охлаждения обеспечиваются путём нанесения специальных покрытий на поверхность литейной формы, повышающих тепловое граничное сопротивление.

Рисунок 1 - Графит в микроструктуре отливок тормозных дисков из заэвтектического чугуна (´100)

Рисунок 2 - Графит в микроструктуре отливок тормозных дисков из эвтектического чугуна (´100)

Рисунок 3 - Зависимость величины отбела клиновой пробы от расхода графитизирующего модификатора при ковшевой обработке заэвтектического серого чугуна

Рисунок 4 - Общая схема зависимости величины отбела клиновой пробы (S) по отдельности и совместно от степени переохлаждения расплава чугуна (DT) и количества в нём ЦЗГ (Q)

Рисунок 5 - Общая схема зависимости от времени (t) степени переохлаждения расплава чугуна (DT) и количества в нём ЦЗГ (Q) и величины отбела клиновой пробы (S) от времени (t), степени переохлаждения расплава чугуна (DT) и количества в нём ЦЗГ (Q)

Литература: