eng
Выпуск #4/2023
Э. С. Закиров, А. Г. Панов
Совершенствование технологии модифицирования для обеспечения заданной структуры и свойств изделий из чугуна с вермикулярным графитом
Совершенствование технологии модифицирования для обеспечения заданной структуры и свойств изделий из чугуна с вермикулярным графитом
Просмотры: 502
DOI: 10.22184/2499-9407.2023.33.4.42.51
Приведен краткий обзор результатов исследований, направленных на совершенствование технологий модифицирования чугуна на вермикулярный графит для повышения стабильности структуры и свойств ответственных деталей машиностроения, а также предпосылок, явившихся первопричиной для проведения названных исследований.
Приведен краткий обзор результатов исследований, направленных на совершенствование технологий модифицирования чугуна на вермикулярный графит для повышения стабильности структуры и свойств ответственных деталей машиностроения, а также предпосылок, явившихся первопричиной для проведения названных исследований.
Теги: cast iron master-alloy modification properties structure лигатура модифицирование свойства структура чугун
Совершенствование технологии модифицирования
для обеспечения заданной структуры и свойств
изделий из чугуна с вермикулярным графитом
Э. С. Закиров, А. Г. Панов
Приведен краткий обзор результатов исследований, направленных на совершенствование технологий модифицирования чугуна на вермикулярный графит для повышения стабильности структуры и свойств ответственных деталей машиностроения, а также предпосылок, явившихся первопричиной для проведения названных исследований.
Актуальность, цели и задачи работы
Чугун является одним из древнейших материалов, но до сих пор остается основным литейным материалом для заготовок машиностроения, в том числе станкостроения. При этом постоянно растущие требования повышения эксплуатационной надежности деталей машин, наряду со снижением их себестоимости, требуют постоянного развития потребительских свойств чугуна. Наибольший интерес в плане развития представляют высокопрочные чугуны с шаровидным (ЧШГ) и особенно с вермикулярным (ЧВГ) графитом, которые обладают уникальным сочетанием физико-механических и литейных свойств [1, 2].
Одним из главных инструментов управления структурой чугунов, а соответственно физико-механическими и потребительскими свойствами, является модифицирование расплава специальными добавками – модификаторами, которые, воздействуя на расплав, создают центры кристаллизации, либо влияют на механизмы и скорости роста различных граней кристаллов, что, в частности, изменяет форму графитовых включений чугунных деталей. Так, для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом используют сфероидизирующие модификаторы, основными действующими элементами которых являются магний и редкоземельные металлы (РЗМ) [2].
Традиционный отечественный подход к выбору и разработке магнийсодержащих лигатур-модификаторов для технологического процесса заключается в выборе наиболее дешевого элементного состава, а также оптимизации фракционного и элементного состава по степени усвоения ведущих элементов. Такой подход не вызывает трудностей в изготовлении отливок из ЧШГ, при использовании чугунов относительно невысоких по прочностным и пластическим свойствам марок, допускающих большие размахи по соотношению феррит/перлит металлической матрицы, а также форме, размерам и распределению графита. Однако при изготовлении отливок с повышенными требованиями к пластичности, прочности, со специальными характеристиками, когда ограничивается, или не допускается наличие в микроструктуре матрицы чугуна «посторонних» фаз, такой подход оказывается недостаточным [2]. Требуется дополнительно учитывать влияние микроструктуры и фазового состава модификаторов, что в производственных условиях, как правило, не встречается. В результате изготовление указанной продукции сопровождается повышенным браком и дополнительными затратами, что, по всей видимости, и явилось основной причиной низкой освоенности отечественной промышленностью изделий из высококачественных высокопрочных чугунов с шаровидным и, особенно, вермикулярным графитом, который на сегодняшний день проходит стадию практического освоения в РФ [2].
Описанная проблематика предопределила актуальность настоящих исследований, целью которых является обеспечение стабильности структуры и свойств литых заготовок станкостроения из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом на этапе модифицирующей обработки путем применения сфероидизирующих лигатур-модификаторов со специально разработанными составами и структурой.
В связи с поставленной целью в комплексной работе были решены следующие задачи:
исследование влияния состава лигатур на основе системы Fe-Ni-Mg-Si на активность магния при различных температурах чугунного расплава [3];
исследование влияния технологических факторов изготовления сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой и железокремниевой основах на их микроструктуру и потребительские свойства [3, 4];
разработка оптимальных составов и структур сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой основе для литых заготовок автомобильного и нефтяного машиностроения из чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом [3], апробация и внедрение результатов исследований в производство.
Методы исследования
Выплавка опытных образцов лигатур производилась в индукционных тигельных печах ИСТ‑0,16 с графитовым тиглем. По заданному химическому составу определялась рецептура шихтовки, а также порядок закладки компонентов металлозавалки. Магний и никель использовались в чистом виде и закладывались в первую очередь с целью образования химического соединения MgNi2 и минимизации выгорания чистого магния. Дополнительно для уменьшения выгорания магния плавки проводили с использованием покрывного флюса.
При этом, при расчете количества вводимого магния делали запас на потери по угару 20%, по РЗМ / ЩЗМ – 10%.
Для обеспечения полного растворения компонентов металлозавалки температура выпуска расплава была задана в пределах 1 380–1 390 °C. Плавку разливали одним ковшом в форму для центробежного литья (ЦБЛ) на различную толщину, остатки расплава сливали в изложницу.
Для получения мелкозернистой структуры приготовленный расплав разливали в кокиль центробежной машины. Дополнительно при выпуске в разливочный ковш расплав модификатора модифицировали поверхностно-активными элементами (0,005%–0,015 массы жидкого металла) для измельчения зерна кристаллизующихся фаз.
Производственные испытания полученной лигатуры проводили на чугунах индукционных плавок в печах типа ИСТ, а для нивелирования фактора явления структурной наследственности чугунов, связанного с исходной структурой шихтовых материалов, расплав перегревали до температуры 1 600 °C и выдерживали 30 мин с последующим охлаждением до рабочей температуры заливки – 1 400–1 450 ºС.
Модифицирование при исследованиях железо-никель-магниевой лигатуры осуществляли вбросом навески модификатора в открытый ковш.
Пробы для определения химического состава и проведения физико-механических исследований заливали через 1 мин после окончания модифицирующей обработки для обеспечения равномерного усвоения элементов лигатуры в чугунном расплаве.
Качественный и количественный анализ микроструктуры опытных лигатур и чугуна осуществляли методом световой микроскопии по ГОСТ 3443‑87 на микроскопе Meiji Techno с использованием пакета прикладных программ Thixomet для получения цифрового изображения микроструктуры.
Определение твердости производилось на твердомере типа ТШ‑2М в соответствии с ГОСТ 9012‑59.
Определение прочностных характеристик чугуна осуществлялось на универсальной испытательной машине Fritz Heckert типа ZD‑10 / 90 по ГОСТ 1497‑84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
Определение химического состава отбеленных проб чугуна толщиной 3 мм производилось на оптическом эмиссионном спектрометре Spectrolab M8 по ГОСТ 27611‑88.
Локальный и интегральный химический состав образцов лигатур исследовали на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа Oxford Instruments INCA Energy 250 / X-max 20.
Расчеты активности магния в системе Fe-Ni-Mg-Si при различных концентрациях элементов и температуры проводились термодинамическими методами, описанными в работе [5].
Результаты исследования
На первом этапе исследовали влияние технологических факторов на структуру и потребительские свойства наиболее распространенных в производстве чугунов с шаровидным графитом с применением магнийсодержащих модификаторов на железокремниевой основе (модификатор имел следующий основной состав: 47,2% Si, 5,6% Mg, 0,7% РЗМ). Исследованы следующие варианты исполнений модификаторов:
М13 – без модифицирования расплава модификатора, разливка в изложницу, толщина слитка 100 мм;
М21 – с модифицированием расплава модификатора поверхностно-активными элементами (≤0,005% Σ(Bi+Te)), разливка методом центробежного литья в чугунную изложницу, толщина стенки отливки 3 мм;
М22 – с модифицированием, ЦБЛ, толщина стенки отливки 20 мм. Микроструктуры опытных лигатур (рис. 1) имеют принципиальные различия, а именно: в ряду М13 → М22 → М21 происходит существенное последовательное измельчение основных фаз α–FeSi2, FeSi, Mg2Si.
Для испытаний выбранные модификаторы были подроблены и просеяны до традиционной для литейных производств фракции 0,8–5,6 мм. Исследование модифицирующей способности модификаторов при ковшевой обработке чугуна на шаровидный графит производили при фактическом расходе модификаторов и основных модифицирующих элементов, представленных в табл. 1. Химический состав чугунов до и после модифицирования представлен в табл. 2, а микроструктуры чугуна – на рис. 2.
Чугун, модифицированный лигатурой М13, имеет самое низкое содержание серы и магния. Такой результат можно объяснить наличием в микроструктуре модификатора крупных магнийсодержащих фаз (Mg2Si), образующих при взаимодействии с чугунным расплавом крупные пузырьки и сульфиды магния, которые легко и быстро совместно всплывают. При этом расплавом усваивается минимальное количество магния. Чугун имеет в своей микроструктуре ~12% графита преимущественно вермикулярной формы с отдельными включениями шаровидной формы (рис. 2 а, б). Металлическая матрица феррито-перлитная с долей феррита ~30%, без свободного цементита.
Максимальное содержание серы со средним содержанием магния наблюдается у чугуна, модифицированного лигатурой М21, что объясняется наиболее мелкозернистой структурой и, соответственно, наиболее мелкими пузырьками и сульфидами магния, которые наиболее хорошо усваиваются и наиболее медленно удаляются из расплава. Чугун имеет в своей микроструктуре примерно в два раза меньше (~6%) графита шаровидной формы (рис. 2 в, г), металлическая матрица состоит в основном из перлита, ледебурита распавшегося и первичного цементита, общее содержание цементита первичного и ледебурита ~25%. Также наблюдается небольшое (менее 5%) количество феррита в виде оторочки вокруг некоторых включений шаровидного графита (несформировавшийся «бычий глаз»).
Максимальное количество магния и близкое к минимальному содержание серы после модифицирующей обработки в чугунном расплаве наблюдается для лигатуры М22. Микроструктура чугуна, модифицированного лигатурой М22 (рис. 2 д, е), схожа с микроструктурой чугуна, модифицированного лигатурой М21, при этом количество графита уменьшается до ~3%, несколько увеличивается количество цементита ледебурита, распавшегося и первичного (до ~30%), количество феррита уменьшается до ~2%.
Таким образом, все структурные составляющие модификатора (α–FeSi2, FeSi, Mg2Si) активно влияют на протекание процессов первичной кристаллизации высокопрочного чугуна, что проявляется в существенном изменении морфологии, а также количестве графита и матрицы в структуре чугунных отливок.
Наследуемые чугунным расплавом от модификатора структуры FeSi и α–FeSi2 взаимодействуют с элементами структуры расплава, имеющими ближний порядок цементита, в результате чего перераспределяются химические связи между атомами Fe, Si и С, образуются новые обедненные углеродом Fe–С–Si-структуры, являющиеся при последующем охлаждении расплава предзародышами и зародышами феррита и аустенита; поэтому в чугунах, обработанных крупнокристаллическими модификаторами, активнее протекает первичная кристаллизация графита, аустенита и феррита, а в чугунах, обработанных мелкокристаллическими модификаторами, первичная кристаллизация графита, феррита и аустенита подавляется и кристаллизуется цементит и ледебурит.
Наследуемые чугунным расплавом от модификатора структуры Mg2Si модификаторов участвуют в формировании разупорядоченных областей чугунного расплава, их размеры влияют на интенсивность удаления магния и неметаллических включений из расплава, что, в свою очередь, влияет на количественные характеристики и морфологию графита. Измельчение магнийсодержащих фаз приводит к повышению сфероидизирующего и графитизирующего эффектов.
Выявленные закономерности использовали для совершенствования технологий модифицирования чугуна с вермикулярным графитом для ответственных деталей машиностроения, к которым предъявляются повышенные требования по стабильности структуры и свойств. Ключевыми факторами для достижения этой цели являются плотность модификатора не ниже плотности чугунного расплава и минимальная активность магния в расплавленном модификаторе при рабочих температурах модифицирования чугунного расплава.
Термодинамические расчеты активности магния в расплавах системы Fe–Ni–Mg–Si в зависимости от состава и температуры проводили по методике, описанной в работе [5]. Зависимость активности магния оценивалась при трех температурах: 1 450, 1 475, 1 500 °C, а также различной концентрации основных элементов лигатуры: Si = 0–8%; Mg = 4–8%; Ni = 30–60% (рис. 3, 4).
Анализ результатов расчетов показал, что в рассматриваемом диапазоне температур не наблюдается существенного влияния на активность магния. При повышении температуры с 1 450 до 1 500 °C изменение активности магния составило менее 1%. Поэтому дальнейший анализ продолжили при температуре 1 450 °C, как наиболее распространенной в производственных условиях, при этом с максимальной активностью магния в рассматриваемой системе.
На рис. 3 показано влияние концентрации никеля (от 30 до 60%) и кремния (от 0 до 8%) на активность магния при его содержании 5%. На рис. 4 показано влияние концентрации никеля (от 30 до 60%) и магния (от 2 до 10%) на активность магния при содержании кремния 4%.
Анализ представленных результатов позволяет сделать следующие выводы:
при повышении концентрации никеля с 30 до 40% активность магния снижается на 31,5%, а с 30 до 60% – на 67,9% (для случая Si = 4%, Mg = 5%);
изменение концентрации кремния слабее влияет на активность магния, однако это хороший инструмент для снижения стоимости лигатуры, при повышении концентрации кремния с 0 до 4% активность магния снижается на 6,8%, а с 0 до 8% – на 19,6% (для случая Ni = 40%, Mg = 5%).
На основании проведенных исследований был разработан состав лигатуры (табл. 3), при определении которого главными критериями являлись:
минимальная активность магния в лигатуре;
минимальное содержание никеля, необходимое для обеспечения плотности лигатуры не менее 7 кг / см3, по причине дороговизны чистого никеля;
возможность уменьшения активности магния за счет повышения концентрации более дешевых элементов;
содержание магния в лигатуре в диапазоне 4,0–6,0% как оптимальное для ковшевого модифицирования по опыту применения сфероидизирующих модификаторов.
Помимо уже описанного выше измельчения кристаллизующихся фаз в структуре традиционных модификаторов на железокремниевой основе, при изготовлении экспериментальных образцов разрабатываемого модификатора по аналогичным методам модифицирования и кристаллизации удалось еще более сильно изменить его структуру (рис. 5). Металлическая матрица немодифицированного варианта магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе (рис. 5 а) представляет аустенит, составляющий единый дендритный каркас, что, кроме прочего, имеет сильное упрочняющее действие, затрудняющее дробление модификатора.
Благодаря модифицированию расплава, а также высоким скоростям охлаждения при заливке в центробежную чугунную форму толщиной отливки 3 мм происходит раздробление сплошного дендритного каркаса аустенита таким образом, что являющаяся основой металлической матрицы аустенитная фаза окружается эвтектикой, состоящей из твердой карбидной фазы, в которой дендриты аустенита содержатся в виде отдельных изолированных включений. В результате сильно снижается ударная вязкость модификатора и решается проблема по одному из главных недостатков сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой основе – низкая дробимость, необходимая для получения относительно мелкой фракции лигатуры для использования в ковшах малой емкости.
Экспериментальные образцы магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе испытали при модифицировании чугуна на вермикулярный графит в цехе точного стального литья литейного завода ПАО «КАМАЗ». Были апробированы три варианта навесок лигатуры с расходом 0,27% от массы жидкого металла (м. ж. м.) – ковш № 1, 0,38% – ковш № 2 и 0,47% – ковш № 3.
При испытаниях оценивалась микроструктура графитовых включений и металлической матрицы модифицированных чугунов, размеры, доля и распределение структурных составляющих, а также содержание, степень усвоения и воспроизводимость усвоения магния, что в первую очередь характеризует работоспособность и эффективность предлагаемого модификатора.
Усредненные результаты механических испытаний, а также исследования микроструктуры чугуна представлены в табл. 4, примеры микроструктуры чугуна – на рис. 6.
Как показано на рис. 6 а, б, расхода лигатуры 0,27% оказалось недостаточно для получения вермикулярного графита, микроструктура представляет собой графит пластинчатой формы с сильным разбросом по размеру и неоднородным распределением графитовых включений. Металлическая основа практически полностью состоит из феррита, механические свойства не удовлетворяют требованиям марки ЧВГ35 ГОСТ28394‑89.
По ковшу № 2 с расходом 0,38% (рис. 6 в, г) получен вермикулярный графит узелковой и извилистой формы с практически равномерным распределением, металлическая матрица феррито-перлитная (П20/Ф80), доля вермикулярного графита составляет 70–80%, что свидетельствует о высокой эффективности модифицирующей лигатуры. По механическим характеристикам полученный металл соответствует требованиям марки ЧВГ35 согласно ГОСТ 28394‑89.
При расходе 0,47% (рис. 6 д, е) была получена структура с долей вермикулярного графита 70–80%, металлическая основа, так же как и у ковша № 2, согласно ГОСТ 3443‑87 феррито-перлитная П20 / Ф80, но визуально она содержит несколько больше перлита, что, по сравнению с металлом ковша № 2, привело к несколько большей прочности и твердости – 370 МПа и 188 HB соответственно – при сохранении относительного удлинения на том же уровне. Следует также отметить, что на некоторых исследованных образцах был обнаружен цементит до 10%, что наряду с высокими механическими свойствами выглядит логично и объясняется большей навеской сфероидизирующей лигатуры.
Усвоение основных рабочих элементов лигатуры чугунным расплавом составило: магния – не менее 70%, элементов РЗМ – не менее 80%, что обеспечивает более стабильный результат модифицирования и воспроизводимость заданной структуры и потребительских свойств ЧВГ в сравнении с аналогичными известными ФСМг модификаторами, для которых усвоение магния и РЗМ составляет, как правило, порядка 50%.
Экспериментальные образцы магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе испытали также при модифицировании чугуна на шаровидный графит при изготовлении гильз цилиндров в производственных условиях АО «Костромской завод автокомпонентов». Особенностью производства была необходимость проводить модифицирование в ковшах емкостью 20 кг при обработке расплава порядка 11 кг для заливки штучных отливок методом центробежного литья.
Были опробованы также три варианта расхода магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе при совместном модифицировании графитизирующим модификатором типа ферросилиция с барием:
ковш № 1 с расходом 1,2% от м. ж. м.;
ковш № 2 с расходом 1,6% от м. ж. м.;
ковш № 3 с расходом 1,4% от м. ж. м.
При этом изначально расход модификатора был задан на уровне 1,0% от массы жидкого металла. Однако содержание серы в приготовленном расплаве оказалось завышенным (~0,023–0,025%) относительно рекомендованного содержания не более 0,020%. По этой причине было принято решение увеличить навеску модификатора для связывания избыточной серы. Кроме того, навески модификаторов для ковшей № 1 и № 3 были отобраны специальным образом – без каких-либо инородных включений, навеска для ковша № 2 имела некондиционное качество и содержала до 20% частиц модификатора с дефектами типа окисленности и ошлакованности, что зачастую присутствует в товарных модификаторах до 5% и более.
На первом ковше были получены неудовлетворительные результаты по форме графитовых включений (рис. 7 а), что объясняется высоким уровнем серы и содержанием магния на нижнем пределе.
На втором (рис. 7 б) и третьем (рис. 7 в) ковшах получен удовлетворительный результат, усвоение магния расплавом составило 70%. Таким образом, опыт показал, что наличие в модификаторе разработанного состава некондиционной фракции в относительно большом количестве не является критичным для получения заданной структуры и свойств. В то же время при разбраковке отливок, залитых по второму варианту, в нескольких гильзах были обнаружены шлаковые включения в небольшом количестве, которые образовались от попадания некондиционной фракции модификатора.
В целом, по результатам проведенных работ получили шаровидный графит неправильной формы, что связано как с высоким содержанием серы в исходном расплаве, так и относительно большим содержанием в структуре чугуна первичного цементита, при кристаллизации становящегося на пути растущего графита и мешающего его росту в виде правильной шаровидной формы, для предотвращения чего требуется корректировка химического состава путем увеличения содержания углерода, а также увеличения расхода графитизирующего модификатора.
Основные результаты
Установлены закономерности влияния состава лигатуры на активность магния при различных температурах расплава системы Fe–Ni–Mg–Si, на основании которых разработан оптимальный состав лигатуры ЖНМг типа по содержанию основных элементов, который в том числе обеспечивает необходимую плотность лигатуры, превосходящую плотность чугунного расплава, что наряду со сбалансированным химическим составом минимизирует пироэффект при модифицирующей обработке чугунного расплава и снижает угар, обеспечивая усвоение магния 70% и более, редкоземельных элементов (лантана и церия) не менее 80 и 90% соответственно.
Установлено влияние различных условий кристаллизации на структуру ФСМг и ЖНМг модификаторов, от которой в свою очередь зависят физико-механические свойства литейных заготовок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом, на основании чего разработана структура магниевых лигатур для обработки высокопрочных чугунов на шаровидный и вермикулярный графит.
Установлено, что магнийсодержащие фазы модификатора активно воздействуют на расплав, формируя в нем разупорядоченные области, при этом размеры этих фаз имеют определяющее влияние на скорость удаления неметаллических включений и магния из чугунного расплава, что в конечном счете оказывает влияние на формирование графитовых включений, их структуру и количество, а также на строение металлической матрицы.
Разработана технология выплавки лигатур, которая определяет порядок закладки шихтовых материалов и регулировку режимов работы плавильной печи; использование покрывных флюсов; модифицирование расплава лигатуры при выдаче из печи в разливочный ковш поверхностно-активными элементами; заливку полученных расплавов лигатур в центробежные машины литья на заданную толщину стенки отливки.
В ходе производственных испытаний подтверждена работоспособность разработанных магниевых лигатур с заданными структурой, составом и свойствами, определены границы возможностей для магнийсодержащего сфероидизирующего модификатора на железоникелевой основе, позволяющего обеспечить воспроизводимость ключевой для эксплуатационных свойств ЧВГ характеристики – получение в структуре чугуна доли графита вермикулярной формы не менее 70–80%. Разработанная лигатура с заданной структурой и составом может быть использована при изготовлении специальных отливок станкостроения из чугуна с вермикулярным графитом, имеющих повышенные требования к жесткости конструкции, демпфирующей способности, низкому короблению, износостойкости при относительно низкой металлоемкости, что обосновывает технико-экономическую целесообразность использования никельсодержащей лигатуры, которая также реализуется в части снижения материальных затрат за счет исключения брака микроструктуры при модифицировании чугуна на вермикулярный графит.
ЛИТЕРАТУРА
Чугун. Справочное издание / [А. Д. Шерман и др.]; под редакцией А. Д. Шермана и А. А. Жукова // М.: Металлургия, 1991. 576 с.: ил.; 22 см.; ISBN 5‑229‑00810‑5 (В пер.).
Леушин И. О., Панов А. Г. Современные тренды производства чугунного литья // Черные металлы. – 2021. № 7. С. 32–40.
Закиров Э. С., Панов А. Г. Исследование зависимостей различных концентраций элементов на активность магния в лигатуре системы Fe–Mg–Ni–Si // Труды XI МНПК «Прогрессивные литейные технологии». М.: 2022. С. 72–76.
Закиров Э. С., Панов А. Г. Разработка тяжелого модификатора для чугуна с вермикулярным графитом // Ползуновский вестник. – 2022. – № 4 Т. 2. – С. 93–98.
Власов В. Н., Булдыгин С. В., Агеев Ю. А. [и др.] Активность и давление пара магния в сплавах Ni–Mg–Si–Fe и Cu–Mg–Si–Fe // Литье и металлургия. 2010. № 3 (57). С. 22–24.
Авторы
Закиров Эрнст Сергеевич –
и. о. главного металлурга ПАО «КАМАЗ»
Панов Алексей Геннадьевич –
доктор технических наук, профессор кафедры «Материалов, технологий и качества» Набережночелнинского института (филиала) КФУ
для обеспечения заданной структуры и свойств
изделий из чугуна с вермикулярным графитом
Э. С. Закиров, А. Г. Панов
Приведен краткий обзор результатов исследований, направленных на совершенствование технологий модифицирования чугуна на вермикулярный графит для повышения стабильности структуры и свойств ответственных деталей машиностроения, а также предпосылок, явившихся первопричиной для проведения названных исследований.
Актуальность, цели и задачи работы
Чугун является одним из древнейших материалов, но до сих пор остается основным литейным материалом для заготовок машиностроения, в том числе станкостроения. При этом постоянно растущие требования повышения эксплуатационной надежности деталей машин, наряду со снижением их себестоимости, требуют постоянного развития потребительских свойств чугуна. Наибольший интерес в плане развития представляют высокопрочные чугуны с шаровидным (ЧШГ) и особенно с вермикулярным (ЧВГ) графитом, которые обладают уникальным сочетанием физико-механических и литейных свойств [1, 2].
Одним из главных инструментов управления структурой чугунов, а соответственно физико-механическими и потребительскими свойствами, является модифицирование расплава специальными добавками – модификаторами, которые, воздействуя на расплав, создают центры кристаллизации, либо влияют на механизмы и скорости роста различных граней кристаллов, что, в частности, изменяет форму графитовых включений чугунных деталей. Так, для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом используют сфероидизирующие модификаторы, основными действующими элементами которых являются магний и редкоземельные металлы (РЗМ) [2].
Традиционный отечественный подход к выбору и разработке магнийсодержащих лигатур-модификаторов для технологического процесса заключается в выборе наиболее дешевого элементного состава, а также оптимизации фракционного и элементного состава по степени усвоения ведущих элементов. Такой подход не вызывает трудностей в изготовлении отливок из ЧШГ, при использовании чугунов относительно невысоких по прочностным и пластическим свойствам марок, допускающих большие размахи по соотношению феррит/перлит металлической матрицы, а также форме, размерам и распределению графита. Однако при изготовлении отливок с повышенными требованиями к пластичности, прочности, со специальными характеристиками, когда ограничивается, или не допускается наличие в микроструктуре матрицы чугуна «посторонних» фаз, такой подход оказывается недостаточным [2]. Требуется дополнительно учитывать влияние микроструктуры и фазового состава модификаторов, что в производственных условиях, как правило, не встречается. В результате изготовление указанной продукции сопровождается повышенным браком и дополнительными затратами, что, по всей видимости, и явилось основной причиной низкой освоенности отечественной промышленностью изделий из высококачественных высокопрочных чугунов с шаровидным и, особенно, вермикулярным графитом, который на сегодняшний день проходит стадию практического освоения в РФ [2].
Описанная проблематика предопределила актуальность настоящих исследований, целью которых является обеспечение стабильности структуры и свойств литых заготовок станкостроения из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом на этапе модифицирующей обработки путем применения сфероидизирующих лигатур-модификаторов со специально разработанными составами и структурой.
В связи с поставленной целью в комплексной работе были решены следующие задачи:
исследование влияния состава лигатур на основе системы Fe-Ni-Mg-Si на активность магния при различных температурах чугунного расплава [3];
исследование влияния технологических факторов изготовления сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой и железокремниевой основах на их микроструктуру и потребительские свойства [3, 4];
разработка оптимальных составов и структур сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой основе для литых заготовок автомобильного и нефтяного машиностроения из чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом [3], апробация и внедрение результатов исследований в производство.
Методы исследования
Выплавка опытных образцов лигатур производилась в индукционных тигельных печах ИСТ‑0,16 с графитовым тиглем. По заданному химическому составу определялась рецептура шихтовки, а также порядок закладки компонентов металлозавалки. Магний и никель использовались в чистом виде и закладывались в первую очередь с целью образования химического соединения MgNi2 и минимизации выгорания чистого магния. Дополнительно для уменьшения выгорания магния плавки проводили с использованием покрывного флюса.
При этом, при расчете количества вводимого магния делали запас на потери по угару 20%, по РЗМ / ЩЗМ – 10%.
Для обеспечения полного растворения компонентов металлозавалки температура выпуска расплава была задана в пределах 1 380–1 390 °C. Плавку разливали одним ковшом в форму для центробежного литья (ЦБЛ) на различную толщину, остатки расплава сливали в изложницу.
Для получения мелкозернистой структуры приготовленный расплав разливали в кокиль центробежной машины. Дополнительно при выпуске в разливочный ковш расплав модификатора модифицировали поверхностно-активными элементами (0,005%–0,015 массы жидкого металла) для измельчения зерна кристаллизующихся фаз.
Производственные испытания полученной лигатуры проводили на чугунах индукционных плавок в печах типа ИСТ, а для нивелирования фактора явления структурной наследственности чугунов, связанного с исходной структурой шихтовых материалов, расплав перегревали до температуры 1 600 °C и выдерживали 30 мин с последующим охлаждением до рабочей температуры заливки – 1 400–1 450 ºС.
Модифицирование при исследованиях железо-никель-магниевой лигатуры осуществляли вбросом навески модификатора в открытый ковш.
Пробы для определения химического состава и проведения физико-механических исследований заливали через 1 мин после окончания модифицирующей обработки для обеспечения равномерного усвоения элементов лигатуры в чугунном расплаве.
Качественный и количественный анализ микроструктуры опытных лигатур и чугуна осуществляли методом световой микроскопии по ГОСТ 3443‑87 на микроскопе Meiji Techno с использованием пакета прикладных программ Thixomet для получения цифрового изображения микроструктуры.
Определение твердости производилось на твердомере типа ТШ‑2М в соответствии с ГОСТ 9012‑59.
Определение прочностных характеристик чугуна осуществлялось на универсальной испытательной машине Fritz Heckert типа ZD‑10 / 90 по ГОСТ 1497‑84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
Определение химического состава отбеленных проб чугуна толщиной 3 мм производилось на оптическом эмиссионном спектрометре Spectrolab M8 по ГОСТ 27611‑88.
Локальный и интегральный химический состав образцов лигатур исследовали на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа Oxford Instruments INCA Energy 250 / X-max 20.
Расчеты активности магния в системе Fe-Ni-Mg-Si при различных концентрациях элементов и температуры проводились термодинамическими методами, описанными в работе [5].
Результаты исследования
На первом этапе исследовали влияние технологических факторов на структуру и потребительские свойства наиболее распространенных в производстве чугунов с шаровидным графитом с применением магнийсодержащих модификаторов на железокремниевой основе (модификатор имел следующий основной состав: 47,2% Si, 5,6% Mg, 0,7% РЗМ). Исследованы следующие варианты исполнений модификаторов:
М13 – без модифицирования расплава модификатора, разливка в изложницу, толщина слитка 100 мм;
М21 – с модифицированием расплава модификатора поверхностно-активными элементами (≤0,005% Σ(Bi+Te)), разливка методом центробежного литья в чугунную изложницу, толщина стенки отливки 3 мм;
М22 – с модифицированием, ЦБЛ, толщина стенки отливки 20 мм. Микроструктуры опытных лигатур (рис. 1) имеют принципиальные различия, а именно: в ряду М13 → М22 → М21 происходит существенное последовательное измельчение основных фаз α–FeSi2, FeSi, Mg2Si.
Для испытаний выбранные модификаторы были подроблены и просеяны до традиционной для литейных производств фракции 0,8–5,6 мм. Исследование модифицирующей способности модификаторов при ковшевой обработке чугуна на шаровидный графит производили при фактическом расходе модификаторов и основных модифицирующих элементов, представленных в табл. 1. Химический состав чугунов до и после модифицирования представлен в табл. 2, а микроструктуры чугуна – на рис. 2.
Чугун, модифицированный лигатурой М13, имеет самое низкое содержание серы и магния. Такой результат можно объяснить наличием в микроструктуре модификатора крупных магнийсодержащих фаз (Mg2Si), образующих при взаимодействии с чугунным расплавом крупные пузырьки и сульфиды магния, которые легко и быстро совместно всплывают. При этом расплавом усваивается минимальное количество магния. Чугун имеет в своей микроструктуре ~12% графита преимущественно вермикулярной формы с отдельными включениями шаровидной формы (рис. 2 а, б). Металлическая матрица феррито-перлитная с долей феррита ~30%, без свободного цементита.
Максимальное содержание серы со средним содержанием магния наблюдается у чугуна, модифицированного лигатурой М21, что объясняется наиболее мелкозернистой структурой и, соответственно, наиболее мелкими пузырьками и сульфидами магния, которые наиболее хорошо усваиваются и наиболее медленно удаляются из расплава. Чугун имеет в своей микроструктуре примерно в два раза меньше (~6%) графита шаровидной формы (рис. 2 в, г), металлическая матрица состоит в основном из перлита, ледебурита распавшегося и первичного цементита, общее содержание цементита первичного и ледебурита ~25%. Также наблюдается небольшое (менее 5%) количество феррита в виде оторочки вокруг некоторых включений шаровидного графита (несформировавшийся «бычий глаз»).
Максимальное количество магния и близкое к минимальному содержание серы после модифицирующей обработки в чугунном расплаве наблюдается для лигатуры М22. Микроструктура чугуна, модифицированного лигатурой М22 (рис. 2 д, е), схожа с микроструктурой чугуна, модифицированного лигатурой М21, при этом количество графита уменьшается до ~3%, несколько увеличивается количество цементита ледебурита, распавшегося и первичного (до ~30%), количество феррита уменьшается до ~2%.
Таким образом, все структурные составляющие модификатора (α–FeSi2, FeSi, Mg2Si) активно влияют на протекание процессов первичной кристаллизации высокопрочного чугуна, что проявляется в существенном изменении морфологии, а также количестве графита и матрицы в структуре чугунных отливок.
Наследуемые чугунным расплавом от модификатора структуры FeSi и α–FeSi2 взаимодействуют с элементами структуры расплава, имеющими ближний порядок цементита, в результате чего перераспределяются химические связи между атомами Fe, Si и С, образуются новые обедненные углеродом Fe–С–Si-структуры, являющиеся при последующем охлаждении расплава предзародышами и зародышами феррита и аустенита; поэтому в чугунах, обработанных крупнокристаллическими модификаторами, активнее протекает первичная кристаллизация графита, аустенита и феррита, а в чугунах, обработанных мелкокристаллическими модификаторами, первичная кристаллизация графита, феррита и аустенита подавляется и кристаллизуется цементит и ледебурит.
Наследуемые чугунным расплавом от модификатора структуры Mg2Si модификаторов участвуют в формировании разупорядоченных областей чугунного расплава, их размеры влияют на интенсивность удаления магния и неметаллических включений из расплава, что, в свою очередь, влияет на количественные характеристики и морфологию графита. Измельчение магнийсодержащих фаз приводит к повышению сфероидизирующего и графитизирующего эффектов.
Выявленные закономерности использовали для совершенствования технологий модифицирования чугуна с вермикулярным графитом для ответственных деталей машиностроения, к которым предъявляются повышенные требования по стабильности структуры и свойств. Ключевыми факторами для достижения этой цели являются плотность модификатора не ниже плотности чугунного расплава и минимальная активность магния в расплавленном модификаторе при рабочих температурах модифицирования чугунного расплава.
Термодинамические расчеты активности магния в расплавах системы Fe–Ni–Mg–Si в зависимости от состава и температуры проводили по методике, описанной в работе [5]. Зависимость активности магния оценивалась при трех температурах: 1 450, 1 475, 1 500 °C, а также различной концентрации основных элементов лигатуры: Si = 0–8%; Mg = 4–8%; Ni = 30–60% (рис. 3, 4).
Анализ результатов расчетов показал, что в рассматриваемом диапазоне температур не наблюдается существенного влияния на активность магния. При повышении температуры с 1 450 до 1 500 °C изменение активности магния составило менее 1%. Поэтому дальнейший анализ продолжили при температуре 1 450 °C, как наиболее распространенной в производственных условиях, при этом с максимальной активностью магния в рассматриваемой системе.
На рис. 3 показано влияние концентрации никеля (от 30 до 60%) и кремния (от 0 до 8%) на активность магния при его содержании 5%. На рис. 4 показано влияние концентрации никеля (от 30 до 60%) и магния (от 2 до 10%) на активность магния при содержании кремния 4%.
Анализ представленных результатов позволяет сделать следующие выводы:
при повышении концентрации никеля с 30 до 40% активность магния снижается на 31,5%, а с 30 до 60% – на 67,9% (для случая Si = 4%, Mg = 5%);
изменение концентрации кремния слабее влияет на активность магния, однако это хороший инструмент для снижения стоимости лигатуры, при повышении концентрации кремния с 0 до 4% активность магния снижается на 6,8%, а с 0 до 8% – на 19,6% (для случая Ni = 40%, Mg = 5%).
На основании проведенных исследований был разработан состав лигатуры (табл. 3), при определении которого главными критериями являлись:
минимальная активность магния в лигатуре;
минимальное содержание никеля, необходимое для обеспечения плотности лигатуры не менее 7 кг / см3, по причине дороговизны чистого никеля;
возможность уменьшения активности магния за счет повышения концентрации более дешевых элементов;
содержание магния в лигатуре в диапазоне 4,0–6,0% как оптимальное для ковшевого модифицирования по опыту применения сфероидизирующих модификаторов.
Помимо уже описанного выше измельчения кристаллизующихся фаз в структуре традиционных модификаторов на железокремниевой основе, при изготовлении экспериментальных образцов разрабатываемого модификатора по аналогичным методам модифицирования и кристаллизации удалось еще более сильно изменить его структуру (рис. 5). Металлическая матрица немодифицированного варианта магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе (рис. 5 а) представляет аустенит, составляющий единый дендритный каркас, что, кроме прочего, имеет сильное упрочняющее действие, затрудняющее дробление модификатора.
Благодаря модифицированию расплава, а также высоким скоростям охлаждения при заливке в центробежную чугунную форму толщиной отливки 3 мм происходит раздробление сплошного дендритного каркаса аустенита таким образом, что являющаяся основой металлической матрицы аустенитная фаза окружается эвтектикой, состоящей из твердой карбидной фазы, в которой дендриты аустенита содержатся в виде отдельных изолированных включений. В результате сильно снижается ударная вязкость модификатора и решается проблема по одному из главных недостатков сфероидизирующих модификаторов на железоникелевой основе – низкая дробимость, необходимая для получения относительно мелкой фракции лигатуры для использования в ковшах малой емкости.
Экспериментальные образцы магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе испытали при модифицировании чугуна на вермикулярный графит в цехе точного стального литья литейного завода ПАО «КАМАЗ». Были апробированы три варианта навесок лигатуры с расходом 0,27% от массы жидкого металла (м. ж. м.) – ковш № 1, 0,38% – ковш № 2 и 0,47% – ковш № 3.
При испытаниях оценивалась микроструктура графитовых включений и металлической матрицы модифицированных чугунов, размеры, доля и распределение структурных составляющих, а также содержание, степень усвоения и воспроизводимость усвоения магния, что в первую очередь характеризует работоспособность и эффективность предлагаемого модификатора.
Усредненные результаты механических испытаний, а также исследования микроструктуры чугуна представлены в табл. 4, примеры микроструктуры чугуна – на рис. 6.
Как показано на рис. 6 а, б, расхода лигатуры 0,27% оказалось недостаточно для получения вермикулярного графита, микроструктура представляет собой графит пластинчатой формы с сильным разбросом по размеру и неоднородным распределением графитовых включений. Металлическая основа практически полностью состоит из феррита, механические свойства не удовлетворяют требованиям марки ЧВГ35 ГОСТ28394‑89.
По ковшу № 2 с расходом 0,38% (рис. 6 в, г) получен вермикулярный графит узелковой и извилистой формы с практически равномерным распределением, металлическая матрица феррито-перлитная (П20/Ф80), доля вермикулярного графита составляет 70–80%, что свидетельствует о высокой эффективности модифицирующей лигатуры. По механическим характеристикам полученный металл соответствует требованиям марки ЧВГ35 согласно ГОСТ 28394‑89.
При расходе 0,47% (рис. 6 д, е) была получена структура с долей вермикулярного графита 70–80%, металлическая основа, так же как и у ковша № 2, согласно ГОСТ 3443‑87 феррито-перлитная П20 / Ф80, но визуально она содержит несколько больше перлита, что, по сравнению с металлом ковша № 2, привело к несколько большей прочности и твердости – 370 МПа и 188 HB соответственно – при сохранении относительного удлинения на том же уровне. Следует также отметить, что на некоторых исследованных образцах был обнаружен цементит до 10%, что наряду с высокими механическими свойствами выглядит логично и объясняется большей навеской сфероидизирующей лигатуры.
Усвоение основных рабочих элементов лигатуры чугунным расплавом составило: магния – не менее 70%, элементов РЗМ – не менее 80%, что обеспечивает более стабильный результат модифицирования и воспроизводимость заданной структуры и потребительских свойств ЧВГ в сравнении с аналогичными известными ФСМг модификаторами, для которых усвоение магния и РЗМ составляет, как правило, порядка 50%.
Экспериментальные образцы магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе испытали также при модифицировании чугуна на шаровидный графит при изготовлении гильз цилиндров в производственных условиях АО «Костромской завод автокомпонентов». Особенностью производства была необходимость проводить модифицирование в ковшах емкостью 20 кг при обработке расплава порядка 11 кг для заливки штучных отливок методом центробежного литья.
Были опробованы также три варианта расхода магнийсодержащего модификатора на Fe–Ni–Si-основе при совместном модифицировании графитизирующим модификатором типа ферросилиция с барием:
ковш № 1 с расходом 1,2% от м. ж. м.;
ковш № 2 с расходом 1,6% от м. ж. м.;
ковш № 3 с расходом 1,4% от м. ж. м.
При этом изначально расход модификатора был задан на уровне 1,0% от массы жидкого металла. Однако содержание серы в приготовленном расплаве оказалось завышенным (~0,023–0,025%) относительно рекомендованного содержания не более 0,020%. По этой причине было принято решение увеличить навеску модификатора для связывания избыточной серы. Кроме того, навески модификаторов для ковшей № 1 и № 3 были отобраны специальным образом – без каких-либо инородных включений, навеска для ковша № 2 имела некондиционное качество и содержала до 20% частиц модификатора с дефектами типа окисленности и ошлакованности, что зачастую присутствует в товарных модификаторах до 5% и более.
На первом ковше были получены неудовлетворительные результаты по форме графитовых включений (рис. 7 а), что объясняется высоким уровнем серы и содержанием магния на нижнем пределе.
На втором (рис. 7 б) и третьем (рис. 7 в) ковшах получен удовлетворительный результат, усвоение магния расплавом составило 70%. Таким образом, опыт показал, что наличие в модификаторе разработанного состава некондиционной фракции в относительно большом количестве не является критичным для получения заданной структуры и свойств. В то же время при разбраковке отливок, залитых по второму варианту, в нескольких гильзах были обнаружены шлаковые включения в небольшом количестве, которые образовались от попадания некондиционной фракции модификатора.
В целом, по результатам проведенных работ получили шаровидный графит неправильной формы, что связано как с высоким содержанием серы в исходном расплаве, так и относительно большим содержанием в структуре чугуна первичного цементита, при кристаллизации становящегося на пути растущего графита и мешающего его росту в виде правильной шаровидной формы, для предотвращения чего требуется корректировка химического состава путем увеличения содержания углерода, а также увеличения расхода графитизирующего модификатора.
Основные результаты
Установлены закономерности влияния состава лигатуры на активность магния при различных температурах расплава системы Fe–Ni–Mg–Si, на основании которых разработан оптимальный состав лигатуры ЖНМг типа по содержанию основных элементов, который в том числе обеспечивает необходимую плотность лигатуры, превосходящую плотность чугунного расплава, что наряду со сбалансированным химическим составом минимизирует пироэффект при модифицирующей обработке чугунного расплава и снижает угар, обеспечивая усвоение магния 70% и более, редкоземельных элементов (лантана и церия) не менее 80 и 90% соответственно.
Установлено влияние различных условий кристаллизации на структуру ФСМг и ЖНМг модификаторов, от которой в свою очередь зависят физико-механические свойства литейных заготовок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом, на основании чего разработана структура магниевых лигатур для обработки высокопрочных чугунов на шаровидный и вермикулярный графит.
Установлено, что магнийсодержащие фазы модификатора активно воздействуют на расплав, формируя в нем разупорядоченные области, при этом размеры этих фаз имеют определяющее влияние на скорость удаления неметаллических включений и магния из чугунного расплава, что в конечном счете оказывает влияние на формирование графитовых включений, их структуру и количество, а также на строение металлической матрицы.
Разработана технология выплавки лигатур, которая определяет порядок закладки шихтовых материалов и регулировку режимов работы плавильной печи; использование покрывных флюсов; модифицирование расплава лигатуры при выдаче из печи в разливочный ковш поверхностно-активными элементами; заливку полученных расплавов лигатур в центробежные машины литья на заданную толщину стенки отливки.
В ходе производственных испытаний подтверждена работоспособность разработанных магниевых лигатур с заданными структурой, составом и свойствами, определены границы возможностей для магнийсодержащего сфероидизирующего модификатора на железоникелевой основе, позволяющего обеспечить воспроизводимость ключевой для эксплуатационных свойств ЧВГ характеристики – получение в структуре чугуна доли графита вермикулярной формы не менее 70–80%. Разработанная лигатура с заданной структурой и составом может быть использована при изготовлении специальных отливок станкостроения из чугуна с вермикулярным графитом, имеющих повышенные требования к жесткости конструкции, демпфирующей способности, низкому короблению, износостойкости при относительно низкой металлоемкости, что обосновывает технико-экономическую целесообразность использования никельсодержащей лигатуры, которая также реализуется в части снижения материальных затрат за счет исключения брака микроструктуры при модифицировании чугуна на вермикулярный графит.
ЛИТЕРАТУРА
Чугун. Справочное издание / [А. Д. Шерман и др.]; под редакцией А. Д. Шермана и А. А. Жукова // М.: Металлургия, 1991. 576 с.: ил.; 22 см.; ISBN 5‑229‑00810‑5 (В пер.).
Леушин И. О., Панов А. Г. Современные тренды производства чугунного литья // Черные металлы. – 2021. № 7. С. 32–40.
Закиров Э. С., Панов А. Г. Исследование зависимостей различных концентраций элементов на активность магния в лигатуре системы Fe–Mg–Ni–Si // Труды XI МНПК «Прогрессивные литейные технологии». М.: 2022. С. 72–76.
Закиров Э. С., Панов А. Г. Разработка тяжелого модификатора для чугуна с вермикулярным графитом // Ползуновский вестник. – 2022. – № 4 Т. 2. – С. 93–98.
Власов В. Н., Булдыгин С. В., Агеев Ю. А. [и др.] Активность и давление пара магния в сплавах Ni–Mg–Si–Fe и Cu–Mg–Si–Fe // Литье и металлургия. 2010. № 3 (57). С. 22–24.
Авторы
Закиров Эрнст Сергеевич –
и. о. главного металлурга ПАО «КАМАЗ»
Панов Алексей Геннадьевич –
доктор технических наук, профессор кафедры «Материалов, технологий и качества» Набережночелнинского института (филиала) КФУ
Отзывы читателей
