Чугун с вермикулярным графитом

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . 1

1. Основные свойства и области применения чугуна с вермикулярным графитом . . . .  . . . . . . 8

2. Получение чугуна, конструкционные  свойства . . . . 11

3. Применение отливок из ЧВГ . . . .  . . 14

ВЫВОД . . . . . . . . . . . 16

ИСТОЧНИКИ . . . . . . . . . . 17

ВВЕДЕНИЕ

Пути  развития прогрессивных технологических  процессов 

литейного производства

Акад. АН УССР В. А. ЕФИМОВ (ИПЛ  АН УССР)

Насущной задачей  развития народного хозяйства страны сегодня и в перспективе является снижение металлоемкости продукции машиностроения, повышение технического уровня за счет применения высококачественных, в том числе литых, материалов. Решение этой задачи требует систематического совершенствования технологической и качественной структуры производства отливок.

Научно-технический  прогресс в литейном производстве в  значительной степени зависит от технического уровня производства заготовок другими способами и общего баланса потребления металла в стране.

В перспективе  ведущая роль в производстве заготовок  и деталей машин будет принадлежать тем технологическим процессам, которые позволят обеспечить высокое качество металлопродукции с наименьшими затратами материальных и энергетических ресурсов. Наблюдается закономерное снижение доли потребления отливок по сравнению с прокатом. Если в 1960 г. доля отливок (к прокату) в структуре потребления заготовок составляла 23,8%, то в 1970 г. она снизилась до 19,4%, а в 1980 г. - до 18,3%.

Согласно прогнозу производства стали и проката  в ближайшее время производство отливок (с учетом их доли в производстве заготовок для машиностроения и общего металлобаланса) оценивается примерно в тех же объемах по массе, что и в настоящее время. Однако количество отливок должно возрасти в соответствии с темпами машиностроения. Отсюда вытекает необходимость ускоренного развития (на базе исследования фундаментальных характеристик и закономерностей процессов литья) малоотходных металлосберегающих литейных технологических процессов. С этих позиций необходимо проанализировать как отраслевые планы развития литейного производства, так и планы разработки и производства литейного оборудования в соответствии с наиболее перспективными технологическими процессами.

Рассматривая  возможность снижения расхода металла  во всем цикле производства отливок и в сфере потребления, к металлосберегающим технологиям целесообразно отнести не только те, которые обеспечивают высокий выход годного, необходимую размерную и массовую точность отливок, но и максимальное повышение качества металла.

К металлосберегающим технологиям следует отнести, прежде всего, центробежное литье, литье под давлением, непрерывное литье, электрошлаковое литье и другие способы, основанные на прогрессивных принципах формообразования, позволяющих управлять затвердеванием отливок.

Широкое распространение  получила разработанная в ИПЛ  АН УССР технология центробежного литья под флюсом. Синтетический флюс в виде легкоплавких «ли экзотермических смесей надежно защищает металл от окисления при заливке и формировании отливок, эффективно рафинирует его в форме от неметаллических включений и газов, а также „утепляет внутреннюю поверхность заготовки, способствует направленной кристаллизации металла в форме. Соответственно улучшается качество макро- и микроструктуры литого металла, повышаются плотность и механические свойства отливок. Эта технология позволила "впервые в литейной практике освоить производство крупногабаритных однослойных и биметаллических заготовок для химического и нефтяного машиностроения, судостроения.

Значительный  интерес представляют работы по получению  биметаллических отливок методом  заливки металла на твердую основу. Технология находит широкое применение при изготовлении биметаллических  и многослойных отливок, биметаллических  заготовок для последующего прессования, а также для восстановления изношенных деталей наплавкой. Промышленное освоение технологических процессов восстановления изношенных деталей на базе высокопроизводительного  специализированного оборудования позволит существенно сократить выпуск запасных деталей для сельскохозяйственных тракторов.

В энергетической промышленности при освоении массового производства биметаллических бил углеразмольных мельниц с повышенным в 2-2,5 раза ресурсом экономия металла составит более 50 тыс. т, а при выпуске биметаллических пальцев гусеничных тракторов и экскаваторов с увеличенным в 2-4,5 раза ресурсом может быть достигнута экономия металла до 200 тыс. т в год.

Комплекс теоретических  и экспериментальных исследований показал возможность эффективного управления при помощи избыточного  давления гидродинамикой заполнение полости  формы металлом, процессом теплообмена  между затвердевающей отливкой и  формой и процессом питания отливки. В условиях воздействия низкого  регулируемого давления время затвердевания отливок сокращается на 30-40%, заметно измельчается структура литого материала, на 15-25% увеличиваются его прочностные, в 1,5-2 раза - пластические свойства коэффициент использования жидкого металла повышается на 85-97%.

Использование в  ряде отраслей промышленности технологии литья под регулируемым давлением на базе специализированных машин и линий позволит в ближайшее время довести годовой выпуск отливок до 20% годового выпуска отливок из алюминиевого литья, обеспечить экономию 7-8 тыс. т алюминиевых литейных сплавов и до 1,5-2 тыс. т алюминиевого проката в год.

Перспективен  метод непрерывного горизонтального  и вертикального литья фасонных отливок и деталей для машиностроения из чугуна и цветных сплавов. Эта технология позволит довести  выход годного до 95%, обеспечит возможность управления теплоотводом при затвердевании отливок и повышений производительности в 1,5-2 раза. Техническая база литейного машиностроения и уровень технологических разработок позволяют значительно расширить номенклатуру производства отливок методом непрерывного литья. Возможная экономия металла в литейном производстве и сфере потребления составит 0,5 млн. т при значительном сокращении энергетических и трудовых затрат.

Второе кардинальное направление развития технологических  процессов литья – максимальное повышение качества металла путем рафинирования, модифицирования, фильтрации жидкого металла, применения виброимпульсной и термовременной обработки, электромагнитных полей, вакуумирования и других эффективных методов воздействия на жидкий и кристаллизирующийся металл. Научными учреждениями накоплен большой опыт повышения  качества металла, базирующийся на теплофизических и физико-химических методах обработки. Достигнут прогресс в области изучения жидкого состояния сплавов, однако объемы использования методов обработки литейных сплавов в промышленности явно недостаточны.

В ряде случаев  единственным способом достижения необходимого качества металла является электрошлаковое  литье, хотя оно требует сравнительно высоких энергетических и трудовых затрат. Разработанные в последнее время разновидности электрошлакового литья (фасонное, кокильное и др.) существенно расширяют область его применения в энергетическом, транспортном, химическом машиностроении и других отраслях промышленности. Особенно эффективно использование электрошлакового литья взамен ковки, штамповки. Металл электрошлакового переплава обеспечивает стабильность эксплуатационных характеристик литых изделий, повышение пластичности, а это позволяет изменить конструкцию и снизить металлоемкость деталей машин и агрегатов.

Перспективным направлением для получения высококачественных литейных сплавов является применение концентрированных источников нагрева – плазмы, электронного луча, обеспечивающих высокую степень рафинирования металла от вредных примесей, организацию производства изделий из тугоплавких и химически активных сплавов, в том числе с использованием в качестве шихты, производственных отходов.

Эффективно применение комбинированного плазменно-индукционного  нагрева. Технология выплавки в плазменно-индукционных печах большой номенклатуры сталей и медных сплавов позволяет повысить производительность плавки в 1,8-2 раза, снизить ее энергоемкость на 28-30%, повысить качество металла при одновременном увеличении выхода годного на 3-5%. Перспективно применение этого метода для выплавки высококачественного чугуна, переработки легковесных металлоотходов.

Обязательное  условие получения высококачественных литых изделий – заливка в  форму сплавов, облагороженных модифицированием, микролегированием и другими способами. Например, технология модифицирования стали комплексными сплавами Сцемиш при производстве отливок для энергомашиностроения позволяет уменьшить число дефектов, повысить механические свойства сплавов и ресурс работы деталей. Внедрение технологии на ПО «Невский завод» обеспечило экономию >1200 т хромомолибденованадиевой стали и -40 т ферросплавов.

Высокоэффективным методом улучшения структуры  металла в отливках из сталей феррито-перлитного, мартенситного и аустенитного классов  является модифицирование тугоплавкими дисперсными частицами – нитридами ванадия. Эта технология обеспечивает повышение прочностных и пластических свойств сталей и сплавов, их усталостной прочности, теплостойкости и жаропрочности. Внедрение процесса на Челябинском машиностроительном заводе им. С. Орджоникидзе и Херсонском заводе карданных валов для молотовых горячих штампов и литых прессовых штампов позволило повысить их стойкость в 2-3 раза. Внедрение разработки на предприятиях Минавтопрома, Минсельхозмаша и других ведомств сэкономит 15-20 тыс. т штамповых сталей.

Технология суспензионного литья с применением металлической  дроби за счет развития объемного затвердевания, ускорения теплоотвода и выравнивания температурного градиента в отливке обеспечивает оптимизацию структуры металла, ослабляет развитие ликвационных и усадочных процессов, значительно уменьшает или предотвращает литейные дефекты. По этой технологии изготовляют изложницы, мульды, поддоны и другие отливки металлургического оборудования, их эксплуатационная стойкость увеличивается на 25- 30%. Номенклатура отливок может быть существенно расширена.

Чтобы удовлетворить  потребности промышленности в металлической  дроби для суспензионного литья, а также для дробеструйной  очистки литья и проката, ИПЛ  АН УССР разработаны технология и  оборудование для получения дроби  распылением жидкого металла. Стойкость такой дроби при дробеметной очистке почти в 2 раза выше стойкости применяемой дроби, ее использование только в этой области может дать в масштабах страны экономию >250 тыс. т металла.

Модифицированием  и получением графита шаровидной формы можно поднять прочность чугуна до 100 МПа, увеличить его пластичность: Отливками из высокопрочного чугуна может быть заменено значительное количество поковок и штамповок, отливок из ковкого и серого чугунов, стальных отливок. Замена стальных отливок отливками из ВЧ может дать существенную экономию металла за счет уменьшения прибылей, припусков на механическую обработку.

Большой технический  потенциал имеет новый класс  ВЧ – чугун с вермикулярным  графитом. Его применение особенно эффективно для деталей с высокой теплопроводностью и термоусталостной прочностью. Наряду с широким использованием в производстве ВЧ ковшовой обработки и в форме перспективно применение нового технологического процесса – вакуумного модифицирования чугуна, позволяющего полностью устранить вредные выделения в атмосферу цеха и обеспечить стабильное получение ВЧ при экономном расходовании модификаторов.

Рассматривая  перспективы развития технологических  процессов, следует указать на необходимость  их автоматизации, применения средств  вычислительной техники. Примером удачного решения может служить технология заливки металлов с изготовлением магнитодинамических установок. Возможности полной автоматизации процесса, улучшение условий труда, управление дозированием металла явились основными предпосылками для широкого применения магнитодинамических установок в отечественной промышленности и за рубежом.

Развитие прогрессивных  технологических процессов литья, базирующееся на преимущественном применении малоотходных методов получения отливок и значительном повышении эксплуатационных характеристик металла, ведет к кардинальному изменению технологической и качественной структуры литейного производства. Эта цель может быть достигнута путем специализации литейных мощностей и созданием эффективной системы плановых и отчетных показателей.

1. Основные свойства и области применения чугуна с вермикулярным графитом

Первые публикации, посвященные  технологии получения чугуна с вермикулярным  графитом (ЧВГ), принадлежат Х. Моррогху, который обозначил четкое различие между вермикулярным, компактным и шаровидным графитом. Принято считать, что зарождение и начальные стадии формирования вермикулярного графита близки к подобным процессам, происходящим с шаровидными включениями. Различия проявляются на последних этапах, когда рост вермикулярного графита происходит через аустенитную оболочку, однако при сохранении контакта с жидкой фазой, тогда как при кристаллизации графитного включения шаровидной формы такой контакт полностью отсутствует. Первый патент на технологию был получен норвежской фирмой «Elkem-Spigerverket» (патент Великобритании №1069.058) в 1966 г., а с 1968 г. австрийская фирма «Steyr-Daimler-Puch AG» впервые в практике литейного производства освоила технологию изготовления литых деталей автомобилей и тракторов из ферритного чугуна с вермикулярным графитом.

Вермикулярный графит (лат. vermiculus – червячок) – микроструктурная составляющая чугуна, носящего название чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ).

Червеобразная форма вермикулярного графита определяется обработкой жидкого  чугуна активными модификаторами Mg, Ca, Ce и других, и условиями кристаллизации. Округленная форма вермикулярного графита меньше разупрочняет металлическую матрицу по сравнению с пластинчатым графитом.

Чугун с вермикулярным  графитом обладает целым рядом специфических  свойств по сравнению с серым. Вермикулярный графит имеет форму  взаимосвязанных графитовых лепестков  подобно пластинчатому графиту. Однако эти лепестки отличаются меньшей  степенью неравноосности, меньшими размерами  и округлой формой кромок. В целом, имеющиеся данные свидетельствуют  о том, что по одним показателям  чугун с вермикулярным графитом близок к серому чугуну, а по другим - к чугуну с шаровидным графитом. Как показывают исследования, сочетание  определенной совокупности механических и физических свойств во многом зависит  от способа получения чугуна с  вермикулярным графитом (технологии выплавки, типа модификаторов, способа  их ввода в расплав и пр.) и  величины соотношения вермикулярного и шаровидного графита в структуре. Специфическое сочетание физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств достигается в ЧВГ  только при условии, что содержание вермикулярного графита в структуре  составляет не менее 80-90% (остальное  – шаровидный графит). В то же время  оптимальную совокупность свойств  обеспечивает вермикулярный графит с 20-30% шаровидного. Методы количественного  определения составляющих микроструктуры ЧВГ в отливках регламентированы ГОСТ 3443-87. Отдельного стандарта на марки ЧВГ нет, но на него распространяется действие ГОСТ 7293-85.

Механические свойства ЧВГ  занимают промежуточные значения между  чугуном с пластинчатым и чугуном  с шаровидным графитом при одинаковой структуре матрицы. По сравнению  с чугуном с шаровидным графитом прочностные свойства чугуна с вермикулярным  графитом в меньшей степени зависят  от исходного химического состава  и соотношения феррит-перлит в  металлической основе. По сравнению  с серым чугуном, у чугуна с  вермикулярным графитом появляется меньшая чувствительность к изменению  углеродного эквивалента с точки зрения изменения механических свойств. Влияние матрицы ЧВГ на его механические свойства представлено в табл.1.1.

Таблица 1.1 - Влияние матрицы чугуна с вермикулярным графитом на его механические свойства

С увеличением толщины  стенки отливки прочность ЧВГ  снижается независимо от величины углеродного  эквивалента, причем перлитные чугуны более чувствительны к толщине  сечения, чем ферритные. Однако, в  диапазоне средних толщин стенок свойства ЧВГ слабо зависят от толщины стенок. По уровню физических свойств ЧВГ занимает промежуточное  положение между чугуном с  пластинчатым и чугуном с шаровидным графитом. ЧВГ имеет значительно  более высокие по сравнению с  ЧШГ показатели тепло- и температуропроводности в широком диапазоне температур.

В целом практика последних  десятилетий свидетельствует о  перспективности использования  в промышленности чугуна с вермикулярным  графитом как конструктивного материала. Так, в мировом автомобилестроении освоена большая номенклатура литых  деталей из ЧВГ небольшой массы (от 1 до 25 кг): маслопроводы для тракторов, опорные детали головки цилиндров  для тяжелых грузовиков, крепежные  детали рам грузовиков, тормозные  рычаги трактора, шкивы сервопривода грузовика, монтажные кронштейны балластных грузов трактора, бандажные кольца шестерен грузовиков, корпуса промежуточных  зубчатых передач, соединительные вилки, несущие и тормозные кронштейны, цепные звездочки, разнообразные крышки и корпуса коробок передач, блоккартеры  и картеры, чашки дифференциала, роторы, тормозные колодки, ступицы  ротора, коробки передач рулевого управления и т.п.

В зарубежной практике из ЧВГ  отливают также корпуса турбонагнетателей (100-1000 кг), выхлопные трубы локомотивных двигателей, маховые колеса, сложные  толстостенные гидроплотные детали гидронасосов высокого давления, трубы  газосборников, эксцентриковые зубчатые колеса и иные, герметичные и износостойкие  детали для тяжелого машиностроения и т.п.

В ФРГ чугун с вермикулярным  графитом в больших масштабах  используется для производства головок  цилиндров крупных морских дизельных  двигателей взамен серого чугуна (масса  этих головок 185-1000 кг), что позволило  увеличить выходную мощность двигателей примерно на 50%. В Японии из ЧВГ отливают головки цилиндров для мощных высокоскоростных дизель-генераторов  электростанций.

Обобщая возможные области  использования ЧВГ, можно предположить, что, основными объектами применения могут стать традиционные отливки  из чугуна с пластинчатым графитом, к качеству и эксплуатационным свойствам  которых предъявляют повышенные требования. Технологические аспекты  получения и использования отливок  из такого типа чугуна, видимо, еще требуют  существенных уточнений в каждом конкретном случае.

2. Получение чугуна, конструкционные свойства

Технический прогресс в чугунолитейном производстве направлен на снижение металлоёмкости и себестоимости  отливок, повышение их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Особый интерес в этом смысле представляет перспективный  вид чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита. Вермикулярный графит представляет собой округлые утолщённые короткие включения, большей частью не разветвлённые. Такая форма графита  определяет не только высокие механические свойства чугуна вследствие разобщённости  графита и меньшего надрезывающего влияния на металлическую основу сплава, но и особенности физических свойств – более высокие электро- и теплопроводность по сравнению с чугуном с шаровидным графитом.

Как известно, свойства чугуна определяются не только формой и размерами  графитовых включений, но и структурой металлической основы. По типу структуры  металлической основы различают  ферритные (наиболее пластичные, но наименее прочные), ферритно-перлитные и перлитные (наиболее прочные) чугуны с вермикулярным  графитом. Чугун с ферритной структурой металлической основы имеет в  основном червеобразную извилистую форму графита. Червеобразная утолщённая форма графита образуется чаще всего  в низколегированном чугуне с  перлитной металлической основой. Для получения в структуре  вермикулярного графита чугун подвергается модифицированию сфероидизирующими  присадками, как и высокопрочный  чугун с шаровидным графитом, но в меньшем количестве.

Опыт производства чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) говорит  о том, что исходный чугун должен иметь высокий углеродный эквивалент (4,0-4,7), низкое содержание серы (0,025%) и  газов. Содержание марганца и фосфора  допускается такое же, как и  для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Получение ЧВГ возможно и при более высоком содержании серы, но это экономически невыгодно  из-за увеличения расхода дорогостоящих  модификаторов. Оптимальная форма  включений графита получается при  остаточном содержании Mg в чугуне 0,015-0,028%. Для исключения пироэффекта и  дымовыделения используют различные  лигатуры с редкоземельными металлами. Остаточное содержание суммы РЗМ  в чугуне должно составлять 0,10-0,20%. Для  получения ЧВГ применяют также  лигатуры, содержащие одновременно сфероидизирующие (Mg, Се и др.) и десфероидизирующие (Ti, Аl) присадки, а также кальций.

ГОСТ 28394-89 устанавливает  четыре марки ЧВГ для изготовления отливок и регламентирует их механические свойства. Эти марки чугуна могут  иметь в структуре кроме графита  вермикулярной формы не более 40% шаровидного графита.

ЧВГ сочетает в себе положительные  свойства чугуна с пластинчатым графитом (высокие литейные свойства и теплопроводность) и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (достаточно высокие прочность  и пластичность).

Для ЧВГ характерны также  высокие модуль упругости и предел выносливости. Механические свойства ЧВГ определяются в основном формой графита и количественным соотношением включений вермикулярного и шаровидного  графита. Химический состав ЧВГ существенно  влияет на формирование металлической  основы чугуна и, следовательно, на характеристики его прочности и пластичности в литом состоянии.

Наибольшее влияние на механические свойства ЧВГ оказывают  углерод, марганец, кремний и фосфор. При этом влияние кремния и  фосфора на пластичность чугуна более  существенно, чем на прочность и  твёрдость. Исследования влияния фосфора  на механические свойства ЧВГ показали, что при содержании его в чугуне более 0,05% снижается ударная вязкость, а при содержании более 0,1% резко  уменьшается пластичность.

Марганец способствует формированию перлитной матрицы и соответственно уменьшению доли феррита в металлической  основе, повышая прочность и уменьшая пластичность чугуна.

Нежелательно сочетание  низкого или, наоборот, высокого содержания углерода и кремния в чугуне. В  первом случае при сочетании низкого  содержания углерода с низким содержанием  кремния увеличивается склонность чугуна к отбеливанию. При втором варианте соотношения элементов  снижаются механические свойства чугуна из-за образования большого количества точечных включений графита.

Существенным резервом улучшения  свойств ЧВГ является термообработка и дополнительное легирование. Применяя ферритизирующий отжиг, можно получить чугун с высокими пластическими  свойствами. Нормализация, наоборот, повышает прочностные характеристики ЧВГ. Дело в том, что нормализация существенно  повышает количество перлита в структуре  металлической основы, однако полностью не устраняет феррит. Для увеличения количества перлита в металлической основе чугуна с целью повышения его прочности чугун легируют медью (0,8-1,0%). Легирование перлитного чугуна марки ЧВГ45 никелем (0,8-1,2%) и молибденом (0,2-0,4%) повышает его теплостойкость и износостойкость.

ЧВГ имеет малую чувствительность к скорости охлаждения, что обеспечивает однородность структуры и свойств  металла в разных сечениях отливок. ЧВГ обладает меньшей чувствительностью  к изменению толщины стенки отливок, чем чугун с пластинчатым графитом, и вследствие этого может быть использован в качестве конструкционного материала для крупногабаритных отливок сложной конфигурации. Из физических свойств ЧВГ следует  подчеркнуть его высокую теплопроводность. Она намного выше теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и близка к теплопроводности серого чугуна с пластинчатым графитом.

ЧВГ имеет хорошие технологические  свойства. Он лучше обрабатывается резанием, чем чугун с шаровидной формой графита. ЧВГ имеет хорошую  жидкотекучесть, равную жидкотекучести серого чугуна с пластинчатым графитом. Его линейная усадка (1,1%) также равна  линейной усадке серого чугуна. Хорошие  литейные свойства ЧВГ позволяют  применять его взамен серого чугуна для отливки деталей без изменения  оснастки и технологии.

3. Применение отливок  из ЧВГ

Сочетание достаточно высоких  механических свойств и повышенной теплопроводности делает ЧВГ перспективным  материалом для отливок, работающих в условиях термоциклирования при  значительном перепаде температур, и испытывающих большие термические нагрузки, например, в дизелестроении, в производстве деталей металлургического оборудования и т.д. Экономически выгодно применять ЧВГ взамен серого чугуна в деталях общего машиностроения, работающих при повышенных циклических механических нагрузках. При этом не только существенно (на 30-40%) снижается металлоёмкость изделий, но и повышается их эксплуатационная надежность. Особенно хороший результат дает применение ЧВГ для изготовления крупногабаритных деталей тяжелых металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования. Хорошие литейные свойства ЧВГ позволяют использовать его взамен высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при получении сложных низкотехнологичных отливок, в которых трудно предотвратить образование усадочных дефектов.

Прочный перлитный чугун  марки ЧВГ45 целесообразно использовать для изготовления деталей, работающих при значительных механических нагрузках, в условиях интенсивного трения и  при повышенных термоциклических нагрузках.

Номенклатура отливок  из ЧВГ с каждым годом все более  расширяется, особенно в дизелестроении.

ВЫВОД

Технический прогресс в чугунолитейном производстве направлен на снижение металлоёмкости и себестоимости  отливок, повышение их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Особый интерес в этом смысле представляет перспективный  вид чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита.

Сочетание достаточно высоких  механических свойств и повышенной теплопроводности делает ЧВГ перспективным  материалом для отливок, работающих в условиях термоциклирования при  значительном перепаде температур, и испытывающих большие термические нагрузки, например, в дизелестроении, в производстве деталей металлургического оборудования и т.д.