CC BY
68
УДК 621.74.042:669.131.7
НОВІ ТЕХНОЛОГІЧНІ ВАРІАНТИ СФЕРОЇДИЗУЮЧОГО МОДИФІКУВАННЯ ЧАВУНУ В ЛИВАРНІЙ ФОРМІ
Д.Ф.Чернега, чл.-кор. НАН України, В.А.Косячков, к.т.н., М.А.Фесенко, асп. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»
Анотація. Приведено стислий огляд робіт за останні 60 років, присвячених одержанню і використанню високоміцного чавуну з кулястим графітом. Описані нові способи сфероїдизуючого модифікування чавуну в ливарній формі, що дозволяють одержати біметалеві виливки, одні елементи яких являють собою білий чавун, а інші - феритний високоміцний
Ключові слова: високоміцний чавун, кулястий графіт, механічні і ливарні властивості,
сфероїдизуючий модифікатор, модифікування в формі, біметалеві виливки
Вступ
В наш час в усьому світі використання високоміцного чавуну з кулястим графітом безперервно зростає. Вибираючи відповідний склад вихідного чавуну, характер легування, технологію його виробництва, вид і режим термічної обробки, можна досягти одержання високих механічних властивостей, які наближаються до властивостей сталі. При цьому вартість виливків із високоміцного чавуну на 25-30% нижче сталевих.
В багатьох випадках можна досягти більшої експлуатаційної стійкості деталей із чавуну з кулястим графітом у порівнянні зі сталевими за рахунок більш вигідної форми, одержаної литтям, як наприклад, при заміні сталевих штампованих колінчастих валів литими чавунними.
Сполучення гарних механічних, фізико-хімічних і технологічних властивостей з відносно невисокою вартістю дає змогу широко використовувати високоміцний чавун для виготовлення відповідальних деталей в автомобілебудуванні, сільськогосподарському і хімічному машинобудуванні, ковальсько-пресовому, прокатному виробництві і інших галузях.
Представляло інтерес прослідкувати за історією виникнення і подальшого впровадження у виробництво чавуну з кулястим графітом.
Аналіз публікацій
У 1947 році в англомовній технічній літературі з'явилися публікації про новий сплав на основі системи «залізо-вуглець» - церієвий чавун з кулястою формою графіту. Перша промислова партія деталей з більш перспективного і економічного магнієвого високоміцного чавуну з
кулястим графітом - колінчастих валів двигуна внутрішнього згоряння автомобіля «Форд» - була відлита в США 14 червня 1948 року. Інформація про новий конструкційний матеріал з чудовим поєднанням механічних і ливарних властивостей, здатний в перспективі скласти конкуренцію сталевому литву, дуже швидко привернула увагу багатьох дослідників. У 50-ті роки минулого століття мало які школи металознавців, металургів і ливарників не зацікавилися теоретичними і технологічними проблемами виробництва виливків з високоміцного чавуну. До кінця цього десятиріччя українські вчені опублікували монографію [1] і довідник [2], присвячені новому матеріалу. За об'ємом і змістом фактичної інформації про теорію і практику виробництва виливків з чавуну з кулястим графітом ці два видання в російськомовній технічній літературі
залишаються неперевершеними до теперішнього часу. Найактивнішим і відомішим харківським дослідником високоміцного чавуну виявив себе О.М.Петриченко.
На початок 70-х років у більшості промислово розвинених країн питомий об'єм виливків з високоміцного чавуну з кулястим графітом в загальній структурі литва досяг 25-29% (на жаль, в Україні цей показник навіть на початку нового тисячоліття не перевищує 2%). В масі литих машинобудівних заготовок частка сталевого литва відповідно знизилася з 20-25% до 8-10%.
До цього часу були оптимізовані склади сфероїдизуючих модифікаторів на основі магнію, а перелік конструктивно-технологічних варіантів ефективного і безпечного додавання металевого магнію або модифікаторів на його основі в ківш з рідким металом здавався вичерпаним. Тому оригінальний спосіб позаковшового
сфероїдизуючого модифікування чавуну
безпосередньо в реакційній камері ливникової системи форми, або так званий «Інмолд»-процес викликав особливу зацікавленість у фахівців-ливарників. До їх числа увійшли О.М.Петриченко та його співробітники, які розробили і запатентували низку ефективних конструкцій реакційних камер і способів інтенсифікації розчинення відповідних модифікуючих зарядів камер в потоці рідкого чавуну.
Мета і постановка задачі
На початку дослідження, розробки і промислового впровадження одним з основних недоліків технології внутрішньоформеного модифікування вважалася вірогідність нерівномірного або неповного засвоєння розрахункової кількості сфероїдизуючого магнію і графітизуючого кремнію із заряду реакційної камери потоком рідкого металу, що заливається в ливарну форму.
Ливарники НТУУ «КПІ» К.І.Ващенко та
В.О.Косячков на підставі власних експериментів попередили фахівців про можливість небажаної спонтанної «біметалізації» окремих елементів виливків з високоміцного чавуну внаслідок вказаного недоліку [3]. Проте в процесі успішного виробничого впровадження внутрішньоформеного модифікування на десятках промислових підприємств брак виливків з вини неоднорідності металу практично не зустрічався.
Через тридцять років, на підставі принципу «перетворити шкоду на користь» на кафедрі ливарного виробництва НТУУ «КПІ» розроблений і запатентований принципово новий спосіб виробництва біметалевих виливків, одні елементи яких кристалізуються з утворенням твердого зносостійкого білого чавуну, а інші - м'якого ударостійкого феритного чавуну з кулястим графітом. Ідея методу полягає в розподілі потоку рідкого металу, що заливається у форму, на дві частини, одна з яких пропускається через реакційну камеру з комплексним сфероїдизуюче-графітизуючим модифікатором, а інша -безпосередньо в робочу порожнину форми або через другу реакційну камеру з карбідостабілізуючим модифікатором [4,5].
Задачею ливарників КПІ було дослідження найперспективніших конструктивно-технологічних варіантів, особливостей, переваг і недоліків нового методу виробництва чавунних біметалевих виливків.
Вивчення особливостей внутрішньоформеного модифікування чавуну з метою одержання біметалевих виливків
Були досліджені різні варіанти базового розплаву (модифікований поза формою магнієвий чавун феритного класу, перемодифікований магнієм або звичайний білий чавун цементитного класу, звичайний сірий чавун), заряду камери, типу виливка (плита і пруток), ливникової системи [6].
Було встановлено, що в виливках типу
вертикальної плити з однією реакційною камерою диференціація структури і властивостей чавуну по висоті досягається при використанні
поверховоїабо вертикально-щілинної ливникової системи. Зокрема при завантаженні в камеру сфероїдизуючого модифікатора ФСМг7 (0,6-0,8% мас. виливка) і спокійному повільному (18 с) заливанні форми доевтектичним білим чавуном нижня частина плити кристалізується із
високоміцного чавуну з кулястим графітом твердістю 260-280 НВ, а верхня - із білого чавуну твердістю 380-400 НВ.
При виготовленні виливків типу горизонтальних брусків взаємне гідродинамічне перемішування рідкого металу і дифузійний перерозподіл модифікуючих елементів в період від заповнення форми до початку твердіння поверхневої кірки сплаву перешкоджає диференціації структури і властивостей чавуну по висоті перерізу виливка. Для запобігання подібного самовирівнювання структури в масивних виливках типу горизонтального бруска форму спочатку частково заливали білим чавуном через реакційну камеру з феросиліціймагнієвим модифікатором. Потім заливання переривали, видержували
модифікований чавун в формі до початку його твердіння (до 90 с) і доливали форму білим чавуном через другу, незалежну від першої, ливникову систему.
В роботі [7] відзначена доцільність додатка до дрібнодисперсного комплексного модифікатора флюса, без якого він взагалі не розчинюється у металі.
Одним з напрямків досліджень була оптимізація складу присадок для роздільного графітизуючого, карбідостабілізуючого та сфероїдизуючого модифікування чавуну в ливарній формі при отриманні біметалевих виливків [8].
Параметрами оптимізації процесу слугували приріст вмісту і відповідний розрахунковий коефіцієнт засвоєння базових хімічних елементів модифікатора металом виливка, а також колір макрозлама, мікроструктура і твердість чавуну в шести перерізах проби, які підлягають контролю. Було встановлено, що при виробництві дрібних і середніх виливків оптимальні результати внутрішньоформенного графітизуючого
модифікування чавуну, схильного до кристалізації з відбілом, досягаються присадкою в реакційну камеру знепиленого феросиліцію ФС75
з розміром зерен 7,5±2,5 мм. При використанні менш ефективного дрібнодисперсного феросиліцію, що включає і пиловидну фракцію, до складу заряду реакційної камери слід додавати 1-2% порошкового магнію і 1-2% пиловидного плавікового шпату.
В якості присадки, що стабілізує карбіди заліза в структурі чавуну евтектичного складу, рекомендується застосування нікель-магнієвої лігатури НМг15 з розміром частинок менше 10 мм, з включенням і пиловидної фракції.
Для сфероїдизуючого модифікування чавуну в ливарній формі доцільно використовувати знепилений модифікатор ФСМг7 з розміром частинок 5,0±2,5 мм.
Значна частина досліджень була присвячена вивченню впливу технологічних факторів на диференціацію структури і властивостей металу в верхній і нижній зонах перерізу стінки біметалевого виливка, одержаного
сфероїдизуючим модифікуванням в реакційній камері форми, що заливається рідким чавуном, схильним до кристалізації з відбілом [9]. Диференціація структури і властивостей чавуну по висоті перерізу розміром 50 мм стінки виливків масою 10 кг досягається при 90-секундній видержці між двома етапами заливання форми. В нижній частині перехідної зони таких виливків і нижче можна бачити контури дендритів первинного аустеніту, між якими розташована ледебуритна евтектика. В верхній частині перехідної зони і вище формуються включення графіту правильної кулястої форми.
В результаті диференціації мікроструктури спостерігається різниця твердості між верхньою і нижньою базовими площинами виливка до 140-150 НВ. При цьому твердість верхньої поверхні плити в литому стані складає 220-240 НВ, а нижньої - 370-390 НВ.
Було показано, що додатковий
низькотемпературний відпал при 760°С на протязі
4 год. збільшує різницю твердості протилежних площин виливків до 170-180 НВ за рахунок повної феритизації металевої матриці чавуну з кулястим графітом.
Г оловним недоліком методу є необхідність індивідуальної оптимізації і наступної стабілізації основних параметрів технологічного процесу виробництва для кожного типорозміру біметалевих виливків.
Висновки
Окремі технологічні проблеми, такі як можливе гідродинамічне перемішування різнорідних чавунів під час заливання робочої порожнини форми, дифузійний перерозподіл елементів-модифікаторів по перерізу стінки виливка, що кристалізується, і деякі інші поки що остаточно не вирішені. Однак у цілому запропонований новий спосіб диференційованого модифікування чавуну в ливарній формі можна вважати перспективним для виробництва мелючих тіл, бронефутеруючих плит дробарок і млинів, склизів бункерів сипкових матеріалів, прокатних валків, шківів та інших виливків зі зносостійкою робочою поверхнею і в'язкою матричною підкладкою.
Спадкоємці української школи ливарників, серед засновників якої значне місце належить
О.М.Петриченко, мають намір і надалі вдосконалювати теорію і практику виробництва
виливків з високоміцного чавуну з кулястим
графітом.
Література
1. Ващенко К.И., Софрони Л. Магниевый чугун.-2-е изд., перераб. и доп. - М.-К.: Машгиз, 1960, 487 с.
2. Горшков А.А., Волощенко М.В., Дубров
B.В., Крамаренко О.Ю. Справочник по изготовлению отливок из высокопрочного чугуна. Под общ. ред. чл.-корр. АН УССР А.А.Горшкова. -М.-К. Машгиз, 1961, 300 с.
3. Косячков В.А., Ващенко К.И. Особенности технологии получения высокопрочного чугуна модифицированием в форме // Литейн. пр-во. - 1975. - № 12. - С.11-12.
4. Пат. 3196 Україна, 7С21С1/00. Спосіб модифікування чавуну / В.О.Косячков, О.П.Макаревич, Є.О.Платонов, К.В.Агєєв, Д.В.Денисенко, Н.С.Сич. - опубл.15.10.04, Бюл. № 10.
5. Пат. 6778 Україна, 7С21С1/00. Спосіб модифікування чавуну у реакційній камері ливарної форми/ В.О.Косячков, О.П.Макаревич, М.А.Фесенко. -опубл.16.05.05, Бюл. № 5.
6. Косячков В.А., Фесенко М.А. Денисенко
Д.В. Перспективы производства биметаллических отливок
модифицированием чугуна в литейной форме // Процессы литья. - 2004. -№ 4,
C.80-84.
7. Косячков В.А. Расширение возможностей производства отливок модифицированием чугуна в форме // Литейн. пр-во. - 2004.
- № 9. - С. 6-8
8. Косячков В.А., Фесенко М.А., Денисенко
Д.В. Оптимизация присадок для дифференцированного графитизирующего, карбидостабилизирующего и
сфероидизирующего модифицирования чугуна в литейной форме // Процессы литья. - 2005. - № 4. - С.34-40.
9. Косячков В.А., Фесенко М.А., Чайковский А.А. Дифференциация структуры и свойств сечения стенки отливки модифицированием чугуна в литейной форме // Процессы литья. - 2006.
- № 1. - С. 85-90.
