Часть 2. Тонкослиточные и чипс-модификаторы: особенности технологии изготовления, исследование влияния на структуру ЧВГ в отливках «Вал распределительный»

Выполнен анализ технологий получения тонкослиточных и чипс-модификаторов. Исследована микроструктура отливок «Вал распределительный» из ЧВГ, обработанного в ковше тонкослиточным и чипс-модификатором, показаны характерные особенности влияния каждого из них.

Ключевые слова: чугун с вермикулярным графитом, модификатор в слитке, чипс-модификатор, микроструктура.

До 1998 г. в мировой практике производства модифицирующих материалов применялась их разливка только в изложницы (графитные, чугунные). Ранее проведёнными исследованиями с участием специалистов НПП «Технология» было установлено влияние скорости кристаллизации модификаторов на их функциональные свойства: степень усвоения расплавом чугуна активных компонентов, скорость растворения и др. Полученные результаты создали предпосылки для создания технологии изготовления мелкокристаллических модификаторов. В отличие от получения модификаторов в виде слитка путём кристаллизации расплава в изложнице сущность технологии изготовления модификаторов в виде особо тонких слитков, иначе, пластин толщиной 0,5-3 мм, заключается в непрерывной разливке и намораживании на водохлаждаемых кристаллизаторах (барабанах).

После дробления и фракционирования измельчённые тонкие пластины принимают вид чешуек или, иначе, «чипсов» (рис. 1). По результатам исследований, приведённых в 1-й части статьи, показана ультра мелкокристаллическая структура чипс-модификатора, его повышенная химическая и фазовая однородность (минимальная ликвация), а также наличие плотной и тонкой защитной окисной плёнки, увеличивающий срок его хранения. Содержащие активные элементы фазы в чипс-модификаторе имеют в 4-10 раз меньшие размеры и равномерное распределение. Для опытной проверки эффективности слиточного и чипс-модификатора проведены их сличительные производственные испытания при получении отливок «Вал распределительный» (рис. 2). Фактический химический состав слиточного и чипс-модификатора марки VermiloyÒ538 фракции 4-32 мм для получения ЧВГ одинаков и приведён в таблице 1.

Рисунок 1. Упрощённая технологическая схема изготовления модификаторов.

Таблица 1. Фактический химический состав слиточного и чипс-модификатора марки VermiloyÒ538 для получения ЧВГ.

С использованием разного количества слиточного и чипс-модификатора для последующего определения оптимального проведена обработка 4-х ковшей расплава чугуна металлоёмкостью 1100 кг по технологической схеме «заливка сверху» (рис. 3):

• 1-й ковш – с 4 кг (0,36%) модификатора VermiloyÒ538 в виде чипсов;
• 2-й ковш – с 4,5 кг (0,41%) модификатора VermiloyÒ538 в виде чипсов;
• 3-й ковш – с 4 кг (0,36%) модификатора VermiloyÒ538 в виде слитка;
• 4-й ковш – с 4,5 кг (0,41%) модификатора VermiloyÒ538 в виде слитка.

Рисунок 3. Технологическая схема «заливка сверху».

Для исследования микроструктуры вырезались образцы со стороны 1-го  и 8-го кулачка (рис. 1). Химический состав ковшевых проб расплава чугуна с каждого из 4-х ковшей приведён в таблице 2. Результаты исследования микроструктуры отливок - в таблице 3 и на рисунках 4-7.

Таблица 2. Спектральный анализ ковшевых проб.

Таблица 3. Металлографическое исследование отливок.

Рисунок 4. Графит в микроструктуре отливок (0,36% Vermiloy®538, чипс).

Рисунок 5. Графит в микроструктуре отливок (0,41% Vermiloy®538, чипс).

Рисунок 6. Графит в микроструктуре отливок (0,36% Vermiloy®538, слиток).

Рисунок 7. Графит в микроструктуре отливок (0,41% Vermiloy®538, слиток).

Анализ и сопоставление полученных результатов исследований

При обработке расплава чугуна навеской 0,36% чипс-модификатора по мере снижения температуры расплава чугуна и угара активных элементов (магния, РЗМ и кальция) в кристаллизующейся последней (1-й кулачок) части отливки  в 2 раза возрастает количество ферритной составляющей (с 8 до 15%). Тенденция уменьшения содержания крупного графита ШГд45 при увеличении содержания мелкого графита ШГд25, а также снижения содержания вермикулярного графита при увеличении пластинчатого сохраняется для всей отливки в целом. Отличие состоит лишь в более высоком исходном содержании крупного графита ШГд45 в кристаллизующейся первой (8-й кулачок) части отливки (10%), более существенном, на 20%, увеличении в ней содержания мелкого графита ШГд25 и меньшем количестве выделившегося пластинчатого графита.

При обработке расплава чугуна навеской 0,41% чипс-модификатора по мере снижения температуры расплава чугуна и угара активных элементов (магния, РЗМ и кальция) в кристаллизующейся последней части отливки наоборот в 1,5-2 раза снижается количество ферритной составляющей (с 8 до 3-5%). Тенденция изменения содержания крупного графита ШГд45 неоднозначна: в кристаллизующейся первой части отливки содержание феррита увеличивается в 3 раза (с 5 до 15%), а в кристаллизующейся последней части отливки оно наоборот уменьшается в 1,5 раза (с 15 до 10%). Содержание мелкого графита ШГд25 при этом снижается: в 2 раза (с 10 до 5%) в кристаллизующейся последней части отливки и в 3,5 раза (с 35 до 10%) в кристаллизующейся первой части отливки. Особого внимания заслуживает внушительный перепад содержания мелкого графита ШГф25 по длине отливки с 1-й формы (с 35 до 10%). Ощутимое увеличение содержания вермикулярного графита (с 50 до 80%) характерно только для кристаллизующейся первой части отливки, в кристаллизующейся последней части отливки оно практически не меняется (80-85%). Пластинчатый графит во всех сечениях отливки полностью отсутствует.

При обработке расплава чугуна навеской 0,36% слиточного модификатора по мере снижения температуры расплава чугуна и угара активных элементов (магния, РЗМ и кальция) содержание феррита в микроструктуре чугуна отливки относительно невысокое ~ 8-10% по всей её длине. В отличие от чипс-модификатора, содержание крупного графита ШГд45 наоборот увеличивается в 3-4 раза (с 5 до 15-20%). Изменение содержания мелкого графита ШГд25 по длине отливки неоднозначно: в кристаллизующейся первой части отливки оно несколько подрастает (с 0 до 5%), а в кристаллизующейся последней части отливки, наоборот, характеризуется некоторым снижением (с 10 до 5%). Содержание вермикулярного графита изначально в разных частях отливки разнится: в кристаллизующейся первой части отливки оно ниже (85%), чем в кристаллизующейся последней части отливки (95%) и имеет общую тенденцию к снижению по примерно одинакового уровня (75-78%). Появление некоторого количества пластинчатого графита (до 2%) свойственно только кристаллизующейся первой части отливки.

При обработке расплава чугуна навеской 0,41% слиточного модификатора по мере понижения температуры расплава чугуна и угара активных элементов (магния, РЗМ и кальция) содержание феррита в микроструктуре чугуна отливки ~ в 1,5 раза (с 8 до 5%) снижается по всей её длине. Также как и при использовании более низкой навески модификатора 0,36%, содержание крупного графита ШГд45 растёт (на 5-10%). Содержание мелкого графита ШГд25 по длине отливки в процессе разливки расплава чугуна увеличивается в 2-3 раза (с 5-10 до 15-20%). Общее снижение содержания вермикулярного графита на 20-40% характерно для всей отливки. Появление некоторого количества пластинчатого графита (до 5%), также как и при использовании уменьшенной навески 0,36%, свойственно только кристаллизующейся первой части отливки.

Вывод

Таким образом путём комплексного сравнения всех ключевых параметров чипс-модификатор по сравнению со слиточным модификатором можно признать более эффективным материалом, позволяющим достичь при его оптимальном расходе 0,41% требуемого качества и необходимых сдаточных характеристик ЧВГ в отливках с обеспечением их большей стабильности: высокое содержание вермикулярного графита (80%) даже в конце разливки модифицированного металла, отсутствие пластинчатой формы графита, общее невысокое содержание крупного и мелкого шаровидного графита - 10-15 и 5-10% соответственно).

Авторы:

• Болдырев Денис Алексеевич - д-р техн. наук, профессор Тольяттинского государственного университета. Тел. +79297147877, e-mail: Denis.Boldyrev@vaz.ru
• Иванов Сергей Викторович - начальник лаборатории, ПАО «АВТОВАЗ». Тел. +79272110548, e-mail: Sergey.Vik.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.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №7 (215) 2018 г.