автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием

На правах рукописи

БОЛДЫРЕВ Денис Алексеевич

Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара-2013

О 5 СЕН 2013

005532531

Работа выполнена в Исследовательском Центре ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) и на кафед ре «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский госуда ственный университет»

Научный консультант: КРИШТАЛ Михаил Михайлович,

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные

оппоненты: БАННЫХ Олег Александрович,

академик РАН, доктор технических наук, профессор,

ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, заведующий лабораторией конструк

ционных сталей и сплавов

КЕНИС Михаил Семёнович, доктор технических паук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры «Металловедение, порошковая металлур] наноматериалы»

ЕМЕЛТОШИН Алексей Николаевич, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», заведующий кафедрой «Материаловедение и термическая обработка металлов»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» п адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, д. 141, корпус №6, аудитория №33

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский гос дарственный технический университет»

Ваши отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью организации, в двух экзем лярах просим направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета Д 212.217.02 п следующему почтовому адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, главны корпус, а также по электронной почте на адрес: ask@samgtu.ru

Автореферат разослан « » dibu^cft^ 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.217.02, доктор технических наук, профессор

А. Ф. Денисенк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Графитизированные чугуны широко применяются в автомобиле-оении для изготовления большой номенклатуры деталей двигателя, шасси и других узлов ав-обиля. Однако их качество не всегда удовлетворяет всё возрастающим требованиям в усло-

острой конкурентной борьбы в современном мировом автомобилестроении. Производство алей автомобилестроения из чугуна имеет свою специфику, обусловленную как широкой мой выпускаемой номенклатуры различных габаритов, конструктивных особенностей, так и ользованием различных марок чугуна. При этом в связи с ростом и ужесточением требова-к надежности и ресурсу деталей автомобиля основной проблемой для существующих ти-и марок графитизированных чугунов является либо их несоответствие требованиям норма-ной документации (НД) по структурно-механическим характеристикам, либо, чаще всего, их ктурная нестабильность в пределах требуемых нормативных показателей, представленная тефектами макроструктуры - усадочной пористостью, так и микроструктуры - расслоением пределения графита (флотация, дросс). поверхностным и глубинным отбелом (свободный ентит), формированием междендритных распределений графита (ГТГр8. ПГр9). нарушением юидальности графита в высокопрочном чугуне, неоднородным распределением вермику-ного графита (особенно в длинномерных деталях), снижением термостабильности перлита, водящим к нестабильности их свойств. Критерием стабильности структуры и свойств являя достижение их требуемых показателей как в пределах одной отливки, так и в отливках од-партии. Поскольку чугуны являются важным литейным конструкционным материалом, тех-огия их получения вносит основной вклад в формирование параметров рациональной струк-ы и уровня свойств и их стабильности в автомобильных литых деталях. Под рациональной мается структура, обеспечивающая требуемые свойства при наименьших затратах.

Применение традиционных мероприятий по повышению качества отливок, реализуемых большинстве предприятий, подразумевает проведение работ, направленных, прежде всего, на чение требуемого НД уровня механических свойств, максимального снижения уровня са-разнообразных дефектов макро- и микроструктуры материала. При этом в ряде случаев от-ствуют требования к получению структуры заданного типа в отливке. В более широком по-ании качество отливок все же характеризуется соответствием состава, структуры и свойств ериала необходимым нормативным требованиям. В условиях массового производства при отовлении основной гаммы деталей из чугуна имеет место тенденция к унифицированию ма-. Такой подход оправдан ввиду удобства отработки технологии изготовления отливок. Одна-в этом случае коэффициент запаса прочности для некоторых деталей будет завышенным, а ффициент использования материала - заниженным. Возрастание требований к снижению ериапоёмкости и затрат при массовом производстве деталей машиностроения также диктует бходимость совершенствования и корректировки понятия «качество чугуна в отливках».

В новых экономических и технологических условиях базовое содержание понятия «каче-о чугуна в отливках» основывается на получении литой структуры чугуна, обеспечивающей плекс требуемых механических и эксплуатационных свойств, полученной при стабильном нологическом процессе. При этом необходимо рассматривать устойчивость количественных ачественных показателей структурного и фазового состава литого металла, как в условиях мируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отлив-мимический состав чугуна, модификаторов и лигатур; температура расплава, условия охла-ния, конструктивные параметры отливки, условия ввода модификаторов и др.), так и при ее существенных отклонениях в технологии (перемодифицирование расплава, наследствен-влияние структуры шихтовых материалов, в том числе некондиционных, повышенный уро-ь загрязнения и т. д.). Учёт экономических требований предполагает получение регламенти-мой НД литой структуры отливок, обеспечивающей необходимые свойства при минималь-себестоимости её получения.

При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надёжности деталей авто-иля обеспечение требуемой литой структуры чугуна может быть обеспечено за счёт исполь-

зования комплексных технологий модифицирования, микролегирования, термической обрабо ки. Необходимо отметить, что эти технологии избирательны и порой предназначены для пол чения узкой номенклатуры отливок. Разработка широкой номенклатуры модификаторов, ос бенности воздействия которых на металл в расплаве в ряде случаев не исследованы, особенно области структурообразования, и их применение на основе общих рекомендаций чревато сер езными технологическими рисками и финансовыми потерями.

Решение указанной проблемы возможно на основе систематизации и обобщения совр менных научных теорий формирования структуры и свойств чугунов, основной вклад в созд ние и развитие которых внесли такие ведущие учёные в области литейного материаловедени К, П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран, А. А. Жуков, Н. Г. Гиршович, Г. И. Сильман, С. Леках, В. И. Литовка, И. К. Кульбовский, И. А. Дйбров, Н. Н. Александров, Е. В. Ковалевич, М. Кимстач, Д. А. Худокормов, В. М. Колокольцев, К. Н. Вдовин, Л. Я. Козлов, И. В. Рябчико Г. А. Косников, В. А. Курганов, Е. Нехтельбергер, J. Riposan, М. Chisamera, Т. Skaland, Н. May A. De-Sy, Н. Morrogh, G. N. Gilbert, М. Hillert, Н. Е. Trout, D. R. Kaninski. При этом также и пользованы экспериментально-промышленные данные, полученные при расширенных прои водственных испытаниях.

Таким образом, получение требуемой литой структуры графитизированных чугунов в а томобилестроении, обеспечивающей достижение повышенного уровня стабильности ко плекса их механических и специальных свойств, должно основываться на результатах иссл дования формирования структуры и свойств этих чугунов при их модифицировании и ми ролегировании. Использование усовершенствованных на основе полученных результат существующих и новых универсальных и экономически целесообразных технологий мод фицирования и микролегирования, не требует полного технического перевооружения лите ных цехов при сохранении существующих базовых технологий выплавки чугуна и формоо разования отливок, способствующих, в том числе, снижению себестоимости изготовлен как уже освоенной, так и новой продукции, что особенно важно в условиях действующе массового производства.

Диаграмма причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы) комплексного вли ния рассматриваемых в работе технологических параметров на получение требуемых стру туры и свойств графитизированных конструкционных чугунов приведена на рис. 1.

Структура и свойства графитизированных конструкционных чугунов

Модифицирование

Химический состав

Фракционный состав

Плотность я

- Ч

Микролегирование

а л

л в.

=S Р

12

К —

*3 Ч

е

с. S

я

S

•е-

S

ч

Сфероидизирующее

м

Графитизирующее

О s О с. н

У и

Рис. 1. Диаграмма причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы) комплексного влияния рассматриваемых I работе технологических параметров на структуру и свойства графитизированных конструкционных чугунов

Цель работы:

Повышение качества и стабильности свойств конструкционных чугунов с различным таги графита, фазовым составом и структурой металлической основы при обеспечении комплек-требуемых свойств деталей машиностроения за счёт получения рациональной литой структу-путём применения модифицирования и микролегирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать и обобщить современные теоретические и экспериментально-омышленные данные в области структурообразования и формирования свойств конструкци-ных чугунов при их модифицировании и микролегировании.

2. Установить особенности влияния базовых «тяжёлых» и «лёгких» магниевых лигатур и разновидностей при микролегировании и ковшевом сфероидизирующем модифицировании структурообразование и свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).

3. Исследовать влияние редкоземельных металлов (РЗМ) в магниевых модификаторах различных технологических схемах модифицирования на структурообразование и свойства 11Г и чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ).

4. Изучить влияние на структурообразование и свойства ВЧШГ и серого чугуна с пла-гчатым графитом (СЧПГ) различных технологических схем графитизирующей обработки

дификаторами разной природы, с учётом стадийности их ввода в расплав и габаритов полу-мого литья.

5. Исследовать влияние микролегирования и изменения химического состава СЧПГ и ИГ в тяжёлонагруженных деталях на комплекс их эксплуатационных характеристик.

6. Апробировать и внедрить полученные результаты исследований в условиях массового изводства чугунных автомобильных деталей.

Научная новизна:

1. На основе систематизации и обобщения современных научных теорий и экспери-нтально-промышленных данных о модифицировании и микролегировании железоуглеро-стых сплавов разработаны обобщающие подходы к получению рациональной литой уктуры с требуемым уровнем механических свойств без изменения процессов металлур-еского и литейного циклов на основе исследований универсальных технологий модифи-

рования и микролегирования, позволяющих получать разные типы и марки конструкци-ых чугунов из расплава чугуна базового химического состава. Определены и исследова-особенности комбинированных процессов модифицирования и микролегирования рас-ва чугуна, обеспечивающие целенаправленное формирование рациональной литой струк-ы с требуемым уровнем механических свойств. Исследованы параметры, определяющие рмирование рациональной литой структуры в конструкционных чугунах под влиянием дифицирующих и легирующих элементов, вводимых на различных этапах технологиче-го цикла.

2. Установлено и объяснено действие лантана в концентрации 0,0010-0,0016%, вводимо-в расплав чугуна с магнийсодержащим модификатором, оказывающего компенсирующее ствие на процесс образования такого дефекта макроструктуры как усадочная пористость, и

зывающего торможение процесса образования вторичного графита, увеличение общего коли-тва глобулей графита (в 1,75 раза по сравнению с чугуном, модифицированным магниевым дификатором без лантана), стабилизацию и последующее замедление роста первичного и ричного графита, имеющего ярко выраженное бимодальное асимметричное статистическое пределение по диаметру включений.

3. Установлено влияние стадийности ввода бария в расплав чугуна на формирование ша-идной правильной ШГф5 и шаровидной неправильной ШГф4 форм графита, соотношение литной/ферритной составляющей в металлической матрице и механические свойства ВЧШГ тливке.

4. Обнаружено и объяснено влияние малых добавок стронция (0,0020-0,0033%) в СЧГТГ низким содержанием серы (до 0,05%) и высоким содержанием азота, обработанного циркони" содержащим модификатором (0,0033-0,0050%) на процесс формирования аномального распр деления графитных включений, предоставляющего собой объемно-неоднородную смешанну комбинацию распределений ПГр1, ПГр7, ПГр8 и ПГр9 в структуре отливки, вызванную локал ным переохлаждением низкосернистого чугуна, обработанного стронцием. Несвязанный сульфиды стронций подавляет процесс графитизации и нивелирует действие других графитиз рующих добавок, в частности, циркония (0,0033-0,0050%), связывающего растворённый азот нитриды, являющиеся ЦКГ.

5. Установлен эффект от совместного влияния малых добавок Bi и Те (0,00125% Bi2T для ВЧШГ и 0,00225% Bi2Te3 для СЧПГ) на количественно-морфологические характеристик шаровидного графита и регулирование соотношения перлита и феррита в металлической матр це чугуна при встречном модифицировании совместно с графитизирующим модификатором зависимости от стадийности их ввода.

6. Определена зависимость контактной прочности СЧПГ от уровня его микролегиров ния марганцем и хромом, с учётом которой установлен сбалансированный диапазон содержани легирующих элементов-карбидообразователей: Мпиз о/оМас + 2-Сг%мас = 1,5%, где Мпизб%мас- кол чество марганца, не связанного в сульфиды, учитывающее как их положительное (повышени микротвёрдости и термостабильности перлита за счёт образования легированного цементита так и отрицательное влияние: снижение (при значительных концентрациях этих элементов прочности матрицы чугуна в рабочем контакте.

7. Установлена зависимость трещиностойкости СЧПГ от содержания углерод (3,35...3,59%) и кремния (1,46...2,17%) при неизменном углеродном эквиваленте (4,07%). Пок зано, что снижение содержания кремния в феррите перлита при одновременном увеличен свободного графита и сохранении углеродного эквивалента СЧПГ привело к повышению тр щиностойкости и износостойкости тяжелонагруженных деталей (тормозных дисков), работа щих в условиях сухого абразивного износа и теплосмен (ДТ ~ 600°С).

8. Определена зависимость износа СЧПГ от содержания в нём серы, имеющая хорош выраженный минимум, обусловленный конкуренцией двух процессов: во-первых, усиление смазывающего эффекта с возрастанием объёмной доли сульфидов марганца и, во-вторых, поя лением охрупчивания при превышении размером сульфидных включений толщины графитны пластинок, что проявляется при увеличении содержания серы выше определённой концентр ции-0,12%.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Для всей номенклатуры отливок чугунолитейного и вспомогательного производст ОАО «АВТОВАЗ» разработаны технологические схемы получения отливок из основных маро ВЧШГ и ЧВГ ковшевым модифицированием без изменения существующего состава шихть оборудования и оснастки в зависимости от требуемой марки: Gh56-40-05, Gh65-48-05 - техн логии «ковш с крышкой», «сэндвич»-процесс; ЧВГ40, ВЧ50 — технология «заливка сверху) «контейнерная» технология; Gh75-50-03 - технология модифицирования «тяжёлой» лигатуро на медной основе.

2. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получения отливок из ВЧШГ использованием внутриформенного модифицирования внедрён сфероидизирующий модифик тор Lamet (ФСМг5,5Ла). По сравнению с типовым ФСМг7 магниевый модификатор с лантано обеспечил в 1,75 раза большее количество глобулей графита. За счёт торможения лантаном про цесса выделения и роста графитных включений усадочная пористость в отливках из ВЧШ снижена более, чем в 3 раза.

3. Разработана технологическая схема получения ЧВГ внутриформенным модифициро ванием РЗМ-содержащим безмагниевым модификатором, включающая проведение предвари тельной графитизирующей обработки, предшествующей основному модифицированию.

4. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» внедрена технология вторичного озднего) модифицирования ВЧШГ брикетированными отсевами из ферросилиция с активны-

графитизирующими добавками и успешно опробована технология вторичного (позднего) дифицирования ВЧШГ литыми вставками. Внедрены брикеты из отсевов модификаторов 65Ба1 и ФС75.

5. Предложены универсальные технологические схемы получения СЧПГ в зависимости содержания серы и габаритов получаемых отливок с использованием ковшевого и внутри-рменного модифицирования. В чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для получе-я отливок из серого чугуна с низким содержанием серы (Ghl90) внедрён графитизирующий дификатор Barinok (ФС75Ба2,5), а для отливок с высоким содержанием серы (СЧ40) -perseed75 (ФС75Ст).

6. Разработаны технологии графитизирующего модифицирования СЧПГ и ВЧШГ (высо-марок - свыше ВЧ70) смесевыми комплексными модификаторами нового поколения. Для

ПГ технология состоит из двух этапов - предварительное графитизирующее модифицирова-е в ковше + последующее графитизирующее модифицирование в стояке формы; для ВЧШГ нология включает только проведение поздней графитизирующей обработки чугуна в стояке рмы.

7. В ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск) внедрено изготовление дисков переднего тормоза чугуна Ghl90 с содержанием серы 0,11...0,13% вместо 0,01 ...0,03%, что привело к значи-ьному повышению их эксплуатационных свойств. Подобрана сбалансированная концентра-

я серы в чугуне, обеспечивающая его наибольший ресурс в паре с материалом тормозной ко-дки. По результатам стендовых натурных испытаний при удовлетворительной трещиностой-сти повышение эксплуатационного ресурса тормозных дисков составляет 40%, тормозных ко-док - 12%. При этом увеличена стойкость обрабатывающего инструмента более чем в 2 раза и содержании серы в чугуне свыше 0,08%.

8. Во вспомогательном производстве ОАО «АВТОВАЗ» для новой перспективной моде-на платформе С - ВАЗ-2116 разработана конкурентоспособная технология получения отли-

к «Кулак поворотный» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» из ВЧШГ ферритно-класса с высокими пластическими свойствами марки ВЧ40 взамен поковок из стали 40ХГНМ.

9. Доказана практическая целесообразность использования модификатора для встречного дифицирования Glitter как дополнительной присадки к графитизирующим модификаторам, особствующей достижению требуемой литой структуры чугуна.

10. Результаты исследований внедрены в металлургическом производстве ОАО «АВТО-3», получено 11 актов внедрения с общим экономическим эффектом 60 млн. 918 тыс. рублей екущих ценах 2005-2010 гг. Получено 3 патента: 2 - на составы лигатур для модифицирова-

и легирования сплавов и 1 - на состав антифрикционного чугуна.

На защиту выносятся:

1. Научные подходы получения всех типов графитизированных конструкционных чугу-в с требуемым уровнем механических свойств и рациональной литой структурой без измене-я процессов металлургического и литейного циклов.

2. Обоснование влияния лантана в составе магниевого модификатора на процесс графи-образования и подавления усадочных процессов в структуре ВЧШГ.

3. Особенности формирования стабильной литой структуры ВЧШГ с требуемым уровнем ханических свойств при варьировании стадийности ввода бария в составе модификатора в сплав чугуна.

4. Зависимость влияния увеличения содержания РЗМ в чугуне на морфологию графитных ючений в ЧВГ. Особенности получения стабильной требуемой литой структуры ЧВГ с пользованием технологических методов на основе внутриформенного модифицирования и при-няемых для него составов модификаторов.

5. Особенности влияния смесевых комплексных модификаторов на графито-кремниево основе с добавками магния и кальция на структурообразование и свойства СЧПГ и ВЧШГ пр различных технологических схемах их введения в расплав.

6. Эффект совместного влияния поверхностно-активных элементов - Bi и Те, входящих состав модификатора для встречного модифицирования Glitter, на структурообразование свойства чугуна. Зависимости влияния активных добавок (Ва, Са, Zr, Sr, РЗМ) в графитизиру щих модификаторах на механические свойства и морфологию графита в чугуне.

7. Обоснование влияния содержания серы в СЧПГ на процессы получения требуемой л той структуры в зависимости от массы, конфигурации и толщины стенки отливки.

8. Зависимости влияния структурных особенностей и химического состава СЧПГ для д талей, работающих в сухой абразивной среде при высоких температурах и нагрузках, на ег эксплуатационные характеристики. Особенности влияния серы, марганца, хрома, молибден титана в СЧПГ на его износостойкость.

Достоверность. Достоверность полученных в работе результатов исследований обесп чивается применением комплекса современного оборудования и типовых методик исследов ний, проведением всего объёма опытных работ непосредственно в условиях действующего ч гунолитейного производства, сравнением результатов лабораторных испытаний с результатам стендовых натурных испытаний, а также использованием методов статистической обработки ре зультатов экспериментов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докл дывались и обсуждались на II и Ш Всероссийских научно-технических конференциях «Совре менные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2003, 2004), XV и XVI Международных конференциях «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольяти 2003; Самара, 2009), II Международной научно-практической конференции «Материалы в авто мобилестроении» (Тольятти, 2003), V, VIII, IX Научно-практических конференциях молодь специалистов ОАО «АВТОВАЗ» (Тольятти, 2003, 2006, 2007), научно-технических семинар ТГУ и Исследовательского центра НТЦ ОАО «АВТОВАЗ» в 2003-2004 гг., III и IV Междуна родных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии» (Москв 2005, 2007), II Международной школе «Физическое материаловедение», XVIII Уральской школ металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и спла вов» (Тольятти, 2006), XVI Петербургских чтениях по прочности, посвященных 75-летию со д рождения В. А. Лихачёва (Санкт-Петербург, 2006), VI, VIII и IX Всероссийской научно практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 200 2010, 2112), II Литейном консилиуме «Теория и практика металлургических процессов при про изводстве отливок из чёрных сплавов» (Миасс, 2006).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих ведущих ре цензируемых научных журналах и изданиях, входящих в список ВАК: «Тяжёлое машинострое ние», «Литейное производство», «Заготовительные производства в машиностроении», «Литей щик России», «Металлург», «Вестник машиностроения», «Автомобильная промышленность» «Металлургия машиностроения».

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 58 печатных работах.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав (включая заключе ние), изложена на 332 страницах, включая 142 рисунка, 111 таблиц, список литературы из 25 источника и приложений (акты внедрения, патенты, удостоверение на рацпредложение) на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика, обоснована актуальность, сформулиро ваны цель и задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы, перечне лены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава является аналитическим обзором и содержит сведения о процессах и ханизмах формирования структуры и свойств графитизированных чугунов.

Из аналитического обзора следует, что для объяснения эффекта модифицирования работано несколько теорий, включая теорию образования карбида кремния, солеобразных рбидов и сульфидов/карбидов («карбидный эффект»). Все они основаны на предположе-и о том, что в смешанном гетерогенно-гомогенном механизме зарождения графитной фа-I в чугуне, превалирующую роль играет именно гетерогенная графитизация на продуктах акции примесей с Ca, Al, Zr, Sr, Ba, Mg, РЗМ (редкоземельные металлы). Максимальный фект модифицирования проявляется непосредственно после введения модификатора, одолжительность действия модификатора зависит от его состава и, как правило, очень m, в результате чего эффективность модифицирования со временем значительно снижает. Вследствие малой продолжительности действия модификатора степень переохлаждения в оцессе эвтектической кристаллизации возрастает из-за повышения температуры ликвиду-, что способствует появлению отбела во всех типах чугунов (СЧПГ, ЧВГ, ВЧШГ). При ом особенно снижается количество шаровидного и вермикулярного графита, ухудшается о форма, что приводит к снижению механических свойств получаемых отливок. В настоя-ее время до сих пор отсутствует чёткое понимание реальных процессов, влияющих на ре-льтаты модифицирования; сформулированы лишь общие положения, учитывающие дейст-отдельных механизмов и не являющиеся практическим руководством к действию. Ни на теоретическая модель не позволяет подобрать наиболее эффективный модификатор, о требует проведения многочисленных экспериментов. Основная сложность на пути полу-ния заданной структуры чугуна путём модифицирования и микролегирования заключается том, что в существующих теориях, как правило, не учитывается комбинированное дейст-е различных технологических параметров на формирование структуры. Именно поэтому ним из наиболее актуальных направлений изучения вклада технологий модифицирования микролегирования чугунов в формирование их структуры и свойств, реализуемых в дан-й работе, является разработка общих подходов к обеспечению необходимой структуры чу-нов на основе учёта комбинированного воздействия различных технологических парамет-в на процессы структурообразования при модифицировании и микролегировании чугунов.

Во второй главе приведено описание использованного в работе экспериментального и алитического оборудования, методического обеспечения, материалов и образцов.

Исследуемые в работе материалы (модификаторы, лигатуры) и способы модифициро-ния (микролегирования) приведены в табл. 1.

Опытные плавки проводили на следующем оборудовании металлургического произ-дства ОАО «АВТОВАЗ»: «дуплекс»-процесс - электродуговая плавильная печь LBS-48 и 6ДСП-40 + индукционная тигельная печь LFD-20 или индукционная канальная печь R-45; индукционная тигельная печь-ковш ИСТ-0,4; формовочно-заливочные линии SPO, org Fisher, DISA. В работе использовали следующее лабораторное испытательное обору-вание: разрывные машины AMSLER 20ZBDA и TiraTest 2300 (определение временного противления на разрыв <т„ и относительного удлинения 5); твердомер ТБ 5006 (определе-е твёрдости по Бринеллю); спектроанализатор Quantovak ARL 2460; газоанализатор Leko -400; ICP-спектрометр Liberty Series ф. Varían; спектрограф Spectruma GDA-750 (опреде-ние химического состава); металлографический световой микроскоп UNIMET 8585, ф. ллер; электронный сканирующий микроскоп LEO 1455 VP с блоком рентгеновского энер-тического спектрометра INCA Energy-300 (анализ микроструктуры и графитных включе-й); металлографический световой микроскоп ф. Zeiss; инерционный динамометрический нопозиционный стенд LR.0.016; электрогидравлические стенды МИ1ГЦ5.2К и MTS-810 ендовые натурные испытания); универсальная машина для испытаний на трение и износ абораторные испытания на трение и износ).

Таблица

Исследуемые материалы для модифицирования и микролегирования чугунов_

№ п/п Материалы Химический состав, %масс Фракция Способ модифицирования/ микролегирования

1 Ni-Mg-P3M Cu-Mg-P3M Cu-Ni-Mg-P3M, Pe-Ni-Mg-P3M, Fe-Ni-Cu-Mg-P3M, Fe-Si-Cu-Mg-P3M . Мв 14-17; РЗМ 0,4-0.6; основа - остальное 2-6 кг Ковшевое модифицирование ВЧ

2 ФСМгб Lamet5836 (ФСМгбЛа) в! 44-48; Mg 5,5-«,2; РЗМ 0,8-1,2; Са 0,8-1,2; Л1 < 1,0; ре — остальное 44-48; Мд 5,55-6,15; Ьа 0,35-0,55; Са 0,8-1 ,2; А1 0,4-1,0; Ее - остальное 4-32 мм Ковшевое модифицирование ВЧ: «заливка сверху», «контейнерная технология, «сэедвич»-процесс, «ковш с крышкой»

3 Compaktmag (ФСМг5,5РЗМ6), ФСМг4,5РЗМ4,5 Б. 44-48; М8 5,0-6,0; РЗМ 5,5-6,5; Са 1,8-2,3; А1 й 1,0; Ре - остальное 45-55; М8 3,0-5,5; РЗМ 0.4-7,0; Са 0,5-5,5; А1 1,0-5,0; Бе — остальное 1-5 мм Ковшевое модифицирование ЧВГ («заливка сверху»)

4 Lamet (ФСМг5,5Ла) 51 44-48; Mg 5,0-6,0; Ьа 0,25-0,40, Са 0,4-0,6; А1 0,8-1,2; Бе - остальное* 1-4 мм Внутриформенное модифицирование ВЧ

5 ФСМг6РЗМ1,5 81 45-55; Mg 5,8-6,3; РЗМ 1,2-1,5; Са < 0,4, Л| 2 1,2, Бе - остальное 1-4 мм Внутриформенное модифицирование ЧВГ

6 ФС50РЗМ20 30-55; РЗМ 20-30; Са < 0,4, А1 5 1,0; Бе - остальное 1-4 мм Внутриформенное модифицирование ЧВГ с предмодифицированием ФС в чаше формы

7 ФС55Ба22 в! 45-60; Ва 20-25; Са £ 3, А1 2 3, Ре - остальное 1-5 мм Первичное модифицирование

150-200 г Вторичное модифицирование

8 МК21, МККа21, МКМг19 С 52-62; в! 20-28; Са, А1, Си, РЗМ, Ге - остальное С 52-62; в! 20-28; Са 5-12; А1, Си, РЗМ, Бе - остальное С 52-62; 20-28; МЙ 2-7; Са, А1, Си, РЗМ, Бе -остальное 7-30 мкм Графитизирующее модифицирование ВЧ в стояке формы

Комбинированное графитизирующее модифицирование СЧ в ковше и стояке формы

9 БрФС75, БрФС65Ба1, БрФС65Ба4 74-78, Бе - остальное 51 60-70; Ва 0,5-2,0, А| 5 3; ре-остальное Б! 60-70; Ва 2,0-5,0; А| < 3; ре - остальное 0-1,0-4, 1-4, 1-5 мм Вторичное графитизирующее модифицирование (в чаше или внутри формы)

10 Модификатор Glitter для встречного модифицирования В| 50; Те 50 - Ковшевое встречное модифицирование ВЧ и СЧ

11 Литые вставки для ВЧ (Гермалой): в! 70-78, Са 0,3-1,5; А1 3,245; РЗМ ~ 0,5; Бе - остальное для СЧ (Оптигран): в! 70-78; Са 0,3-1,4; А1 0,8-1,8; Мп 3,5-4,5; РЗМ - 0,5; Ре - остальное 110 г (0,1%) Вторичное графитизирующее модифицирование ВЧ и СЧ

12 Superseed Extra (ФС75СтЦр), Supers ced75 (ФС75СТ), Barinok (ФС75Ба2,5) 73-78; Бг 0,6-1,0; 2т 1,0-1,5; А1 5 0,5; Са<0,1; Бе - остальное в! 73-78; вг 0,6-1,0; А1 < 0,5; Са < 0,1; Бе - остальное 72-78; Ва 2,0-3,0; Са 1,0-2,0; А1 < 1,5; Бе - остальное 1-5 мм Ковшевое графитизирующее модифицирование СЧ

13 ФСу, ФМн, ФХ Ферросера 25 или 30, Ферромарганец 70, 78 или 88, Феррохром 85 - Печное микролегирование СЧ

Третья глава посвящена обеспечению стабильности структуры и свойств чугунов компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ), получаемых при ковшевом модифицировании «тяжё лыми» и «лёгкими» магниевыми лигатурами. Изучена эффективность известных и разрабо танных составов «тяжёлых» лигатур (медь-магний-РЗМ, медь-никель-магний-РЗМ, железо никель-магний-РЗМ, железо-никель-медь-магний-РЗМ и железо-кремний-медь-магний-РЗМ в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» на примере получения отливок «Вал ко ленчатый» всех моделей из ВЧШГ марки СЬ75-50-03 (ств > 738 МПа, 5 > 3%, НВ 250-302) Исследовано влияние разработанных с использованием базы существующего произведет венного оборудования без его обновления и принципиального изменения технологически схем ковшевого модифицирования средних (СЬ56-40-05 (сгв> 549 МПа, 5 > 5%, НВ 180-250) 0165-48-05 (<т„> 638 МПа, 5 > 5%, НВ 190-280)) и низких марок ВЧШГ (ВЧ50: ов> 500 МПа 5 > 7%, НВ 170-220) и ЧВГ (ЧВГ40: <тв> 400 МПа, 8 > 1%, НВ 210-285) на получение тре буемых показателей структуры и свойств.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием «тяжёлых» лигатур для вшевого модифицирования и микролегирования. Ввиду стремительного роста цены на ни-ль для экономного сфероидизирующего ковшевого модифицирования и микролегирования гуна проведены исследования целесообразности перехода с никелевой лигатуры на мед-о, а также использования различных комбинированных лигатур на её основе.

Провели исследование эффективности для модифицирования ВЧШГ «тяжёлой» лига-)Ы на чисто медной основе (в объёме 8 плавок по 20 т), а затем - на никелевой и медной новах, разбавленных более дешёвыми элементами (Ре, 81) (в объёме 1 плавки по 20 т) с ётом их влияния на требуемый диапазон содержания магния (14...17%). Установлен ков-евой расход (0,83%) «тяжёлой» лигатуры Си-ГУ^-РЗМ следующего химического состава: g 14...17%; РЗМ 0,4...0,6%; Си - остальное. По сравнению с расходом лигатуры Ni-Mg-М - 0,45%, имеющей аналогичное содержание магния и РЗМ, расход лигатуры Си-М§-М выше в 1,85 раза. Однако принимая во внимание в 3-4 раза меньшую стоимость меди, сравнению с никелем, технология обработки расплава чугуна лигатурой Си-Мд-РЗМ в 5-2 раза дешевле, чем лигатурой №-М§-РЗМ. Кроме того, назначаемая температура норма-зации отливок, полученных с помощью лигатуры Си-М§-РЗМ, в среднем на 40°С ниже 70°С), чем для получаемых с лигатурой М!-М§-РЗМ (910°С). Нормализация при темпера-ре 870°С, по сравнению с литым состоянием, позволила получить требуемую прочность гуна (844-903 МПа), сформировать более однородную перлитную структуру, устранила опления свободного феррита вокруг графита («бычий глаз»), снизила общее содержание ободного феррита с 5-12% до 4-5% без снижения относительного удлинения (>3,6%) при еспечении необходимой твёрдости чугуна (НВ 269-298). Таким образом, на основании вы-лненных исследований установлено, что использование экономичной лигатуры Си-М§-М взамен №-М£-РЗМ Для получения ВЧШГ обеспечивает формирование рациональной руктуры, а количество опытных плавок подтверждает стабильность структуры и свойств.

При ведении плавки на обогащённом медью возврате собственного производства уставили, что для достижения требуемых показателей механических свойств и параметров кроструктуры отливок, содержание никеля и марганца в расплаве может быть уменьшено, овокупный прирост меди из возврата и лигатуры до концентрации 1% позволяет полно-ью скомпенсировать снижение, а затем и полное отсутствие никеля при поддержании со-ржания марганца в расплаве 0,25...0,35%. По результатам проведённых исследований ли-туры Cu-Ni-Mg-PЗM, имеющей следующий химический состав: N1 25%; М§ 17,1%; РЗМ 07%; Си - остальное, установлено, что она может быть использована в качестве переход-го варианта для плавной, постепенной отработки технологического процесса сфероидизи-эщего модифицирования при замене лигатуры №-М§-РЗМ на Си-М§-РЗМ. Виду того, что начально влияние перехода на «тяжёлую» лигатуру с иной металлической основой неиз-стно и может вызвать отклонения по структуре и свойствам, предложили пошаговую за-ну лигатуры №-М§-РЗМ на Си-М§-РЗМ при параллельной корректировке химического става чугуна в печи. Установили, что экономичная лигатура Си-№-М§-РЗМ так же как и -М§-РЗМ, но в меньшей степени из-за присутствия никеля обеспечивает формирование циональной структуры ВЧШГ. Характеризуемая структура и уровень механических ойств отливок, отобранных от опытной плавки (20 т), подтверждают их стабильность.

Исследовали влияние железа как более дешёвой добавки на эффективность работы яжёлых» лигатур на лигатурах с никелевой (Fe-Ni-Mg-PЗM: Ре 18...22%; 14...17%; М 0,4...0,6%; N1 - остальное) и медь-никелевой (Ре-№-Си-М§-РЗМ: Ре 18...22%; Си ..12%; М§ 14...17%; РЗМ 0,4. ..0,6%; N1 - остальное) основах. Результаты испытаний пока-и худшее усвоения магния расплавом чугуна из «тяжёлой» лигатуры Ре-М-Си-М§-РЗМ сравнению с лигатурой Ре-№-М§-РЗМ. Более низкое усвоения магния, оцениваемое по

степени сфероидизации графита в микроструктуре чугуна (ССГ), из лигатуры Ре-№-Си-М§ РЗМ (ССГ 40-70%), по сравнению с Ре-№-1^-РЗМ (ССГ 50-70%), обусловлено её больше легкоплавкостью. При этом увеличение навески на 20% не обеспечило улучшения ССГ. По лученные результаты показывают нестабильность усвоения магния из опытных железосо держащих «тяжёлых» лигатур, которая объясняется следующим. Магний не растворим в же лезе, однако при одновременном сплавлении с ним железа и меди (никеля), он образует ними насыщенные твёрдые растворы, характеризующиеся низкой температурой плавления что отрицательно влияет на усвоение из них магния расплавом чугуна. Также следует отме тить высокую склонность магния к ликвации: из-за его низкой плотности основное его со держание сосредотачивается в верхних слоях слитка лигатуры, а нижние слои оказываютс обеднёнными по магнию. В исследованных «тяжёлых» лигатурах железо использовалось да повышения общей температуры плавления сплава за счёт образования твёрдых растворо железа с медью и железа с никелем, имеющих более высокие температуры плавления, чем чистой меди и никеля. Однако по результатам исследований, ожидаемый ощутимый поло жительный эффект «условной тугоплавкости» не выявлен.

По результатам апробации «тяжёлых» лигатур Ре-№-М§-РЗМ и Fe-Ni-Cu-Mg-PЗM оп ределили влияние железа на растворимость магния и при освоении производства «тяжёлой) лигатуры «железо-кремний-медь-магний-РЗМ» предложили следующий сбалансированны химический состав: Ре 8...11%, 11...14%, 14...17%, РЗМ 0,9...1,2%, Си - остальное Данная лигатура наиболее экономична из всех «тяжёлых» лигатур. В общем случае, желез отрицательно влияет на растворимость магния, вытесняя его из расплава и увеличивая ег ликвацию. Однако в указанных пределах железо не оказывает ощутимого влияния на рас творимость магния в лигатуре и служит относительно тугоплавкой добавкой, повышающе" её общую температуру плавления. Кремний при данном содержании в лигатуре нескольк улучшает усвоение в ней магния, компенсируя его вытеснение железом и служит охрупчи вающей добавкой, улучшающей дробление лигатуры. По результатам исследований струк туры и свойств отливок (перлитная структура без сплошной толстой ферритной оторочк вокруг графитных включений («бычий» глаз), ств = 873 МПа, 5 = 6%) установили идентичну эффективность лигатур Ре-8ьСи-М§-РЗМ и Си-М§-РЗМ. На основании выполненных иссле дований установлено, что использование экономичной лигатуры Ре-81-Си-М§-РЗМ взаме Ni-Mg-PЗM для получения ВЧШГ обеспечивает формирование рациональной структуры Характеризуемая структура и уровень механических свойств отливок, отобранных от опыт ной плавки (20 т), подтверждают их стабильность. Условная схема влияния железа, магния температуры плавления «тяжёлой» лигатуры на её расход приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема влияния железа, магния и температуры плавления на расход «тяжёлой» лигатуры

12

На основе проведённых исследований сформулировали общие рекомендации к разра-отке химического состава «тяжёлых» магнийсодержащих лигатур, заключающиеся в опре-елении наиболее экономичной металлической основы (Си), хорошо растворяющей магний, других добавок, дополнительно снижающих её стоимость (Бе, Б!) и улучшающих техноло-ческие свойства (Б!), в частности, дробимость,'при сбалансированном подборе их совмест-ого содержания относительно заданного диапазона содержания магния.

Исследование влияния технологий модифицирования ВЧШГ «лёгкими» лигатурами на ормирование его структуры и свойств. Проведена апробация разработанных технологий вшевого модифицирования на основе «сэндвич»-процесса, органично вписывающихся в ществующую схему производства чугунного литья с задействованием имеющегося базо-го оборудования и оснастки, с использованием «лёгких» лигатур типа ФСМг на структу-образованием и свойства ВЧШГ.

На первом этапе опытных работ провели исследование структуры и свойств ВЧШГ, лученных по видоизмененной основной схеме «сэндвич»-процесса с учётом конструкции овых ковшей металлоёмкостью 1,2 т, имеющих характеристическое соотношение 1,4:1, итывая, что «сэндвич»-процесс рекомендуется для модифицирующей обработки ВЧШГ в крытых ковшах, имеющих характеристическое соотношение (отношение высоты ковша к о среднему диаметру) - 2...2,5:1. Опытные работы проводили с использованием «лёгких» гатур марок ФСМгб и Ьате15836 (ФСМгбЛа).

На практике при опробовании всех разработанных технологических схем многократно дтверили принципиальную невозможность стабильного модифицирования ВЧШГ по эндвич»-процессу в открытых серийных заливочных ковшах с самой различной конструк-ей и расположением реакционного кармана для размещения модификатора, выражаю-уюся в получении ВЧШГ с нарушением ССГ (< 90%). Анализ всех трёх способов модифи-рования ВЧШГ, созданных на базе «сэндвич»-процесса, показывает, что из-за увеличения емени технологического цикла, связанного с обслуживанием ковшей с изменённой конст-кцией футеровки, они успешно могут быть применены в мелкосерийном производстве для готовления опытных отливок из ВЧШГ со ССГ > 90%. Для первичного опробования на апе изготовления опытных образцов высоконагруженных деталей шасси «Кулак поворот-ш» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» для новой модели ВАЗ-2116, рабо-ющих в условиях знакопеременного нагружения, и оценки их работоспособности в качест-материала выбрали ВЧШГ на ферритной основе марки ВЧ40. В качестве критериев оцен-материала опытных отливок определены: металлическая основа - феррит; относительное линение 5 > 15%. Для стабильного ведения процесса изготовления отливок разработали комендации к используемым шихтовым материалам, углеродному эквиваленту чугуна в чи и в ковше.

Установлено, что полученный ВЧШГ по разработанной и опробованной технологиче-ой схеме подготовки расплава и последующего модифицирования для условий единичного мелкосерийного производства соответствует марке ВЧ40 (ств = 451-491 МПа, 5 = 15,0,4%; НВ 170-185). Для изготовления отливок со стабильными показателями структуры и ойств сформулировали комплексные рекомендации для промышленного использования работанной технологии, касающиеся допустимого уровня примесей в шихтовых материа-х (передельный чугун с низким (до 0,01%) содержанием серы, нелегированные стальные ходы (типа КСО-А), использование только собственного возврата), способа сфероидизи-эщего модифицирования чугуна, назначения вида термообработки в случае использова-е в составе шихты легированных стальных отходов.

Установлено, что при существующем характеристическом соотношении в ковше — 4:1 устойчивость технологического процесса модифицирования ВЧШГ с целью формиро-

вания ССГ > 90% может быть обеспечена только путём его усовершенствования, дооснаще-ния и в итоге — трансформации в процесс «ковш с крышкой». По технологии «ковш с крышкой» «лёгкую» лигатуру размещали на днище ковша в его носковой части, а крышку устанавливали таким образом, чтобы верхнее отверстие заливочной воронки для заливки расплава чугуна располагалось диаметрально противоположно носку ковша. Данная технология, опробованная при изготовлении опытной плавки (20 т) обеспечивает стабильное получение структуры и свойств отливок из средних марок ВЧШГ, например, СЬ56-40-05, СЬ65-48-05 (перлито-ферритная металлическая матрица, ССГ - 90%, НВ 180-249). Структура отливок, изготовленных по технологии «ковш с крышкой» с использованием экономичной «лёгкой» лигатуры Ьаше1 5836 (ФСМгбЛа) по сравнению с базовой технологией ковшевого модифицирования «тяжёлой» лигатурой является рациональной.

По результатам опытных работ доказано, что при изготовлении отливок из более низких марок ВЧШГ - до ВЧ50 включительно - могут быть использованы более простые по сравнению с «сэндвич»-процессом технологии для открытого ковша - «заливка сверху» и «контейнерная» технология. Полученные структура и свойства в опытных отливках: для ЧВГ40 — перлито-ферритная металлическая матрица, преобладание вермикулярного графита над шаровидным, НВ 187-239), для ВЧ50 - перлито-ферритная металлическая матрица, ССГ > 80%, НВ 170-229). По сравнению с базовой технологией получения ВЧШГ «тяжёлой» лигатурой №-\^-РЗМ структура отливок, изготовленных с применением экономичной «лёгкой» лигатуры Ьате1 5836 (ФСМгбЛа) по технологии «заливка сверху» и «контейнерной» технология является рациональной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенных опытных партий, состоящих из 18 опытных плавок по 20 т каждая.

Формирование структуры и свойств ЧВГ с использованием технологии ковшевого модифицирования «лёгкими» лигатурами. Установлено влияние на стабильность графитообра-зования баланса содержания функционально значимых элементов (Мд, Са и РЗМ) в составе специальных модификаторов для получения ЧВГ. На основе анализа результатов сравнительных испытаний двух модификаторов ФСМг4,5РЗМ4,5 и СотракИт^ (ФСМг5,5РЗМ6) на чугуне марки ЧВГ40 показано, что химический состав модификатора Сотрак1та§ (ФСМг5,5РЗМ6) несбалансирован по сравнению с составом модификатора ФСМг4,5РЗМ4,5. Это выражается нестабильностью образования и неоднородностью распределения вермикулярного графита по длине отливки, и связано с повышенным содержанием в составе модификатора магния, РЗМ и кальция.

По результатам проведённых исследований установили расход модификатора Сотра^п^ (ФСМг5,5РЗМ6) - 3,6 кг на 1200 кг чугуна (0,3%), позволяющий получать ЧВГ, с содержанием в микроструктуре шаровидного графита не более 40%. При меньшем расходе данного модификатора в микроструктуре чугуна начинает появляться пластинчатый графит. Пропорциональное изменение содержания магния и РЗМ в модификаторе не эквивалентно пропорциональному изменению его расхода. Это подтверждает тот факт, что 5 кг модификатора ФСМг4,5РЗМ4,5 обеспечивают лучшее структурообразование и формирование свойств ЧВГ (перлит, феррита не более 20%, вермикулярный графит, шаровидного графита не более 15%, НВ 229-239), чем 3,7-4,5 кг модификатора Сошра^п^ (ФСМг5,5РЗМ6) (перлит, феррит 5-30%, вермикулярный и шаровидный графит при содержании последнего от 3 до 60%, НВ 217-275). То есть, в составе специализированного модификатора для получения ЧВГ должно содержаться около 4,5% магния и РЗМ и строго ограниченное содержание кальция (< 0,7%) и алюминия (< 0,7%). В отливках «Вал распределительный», изготовленных с использованием более экономичной «лёгкой» лигатуры ФСМг4,5РЗМ4,5 по сравнению с «лёгкой» лигатурой Сотракйпа§ (ФСМг5,5РЗМ6) полученная структура может считаться рацио-

альной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их поучением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенных опытных партий, остоящих из 17 опытных плавок по 20 т каждая.

Таким образом, установлены особенности и закономерности получения ВЧШГ и ЧВГ отливках из основных марок ковшевым модифицированием без изменения существующего остава шихты, оборудования и оснастки в зависимости от требуемой марки: СЬ56-40-05, И65-48-05 - технологии «ковш с крышкой», «сэндвич»-процесс; ЧВГ40, ВЧ50 — технология заливка сверху», «контейнерная» технология; СЬ75-50-03 - технология модифицирования тяжёлой» лигатурой на медной основе. Установлено, что из расплава чугуна одного и того е химического состава возможно получение нескольких марок чугунов за счёт применения азличных модифицирующих материалов и технологий модифицирования.

Четвёртая глава посвящена формированию стабильных показателей структуры и ойств чугунов с компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ) при внутриформенном модифици-овании «лёгкими» магниевыми лигатурами на ферросилициевой основе.

Исследование влияния технологии внутриформенного модифицирования ВЧТ11Г «дёг-ими» лигатурами на формирование его структуры и свойств. Показано, что использование пового ферросиликомагния (ФСМг7) в качестве сфероидизирующей добавки при модифи-ировании в форме, имеет ряд недостатков, в числе которых — повышение склонности к об-азованию такого дефекта макроструктуры как усадочная пористость и наличие в микро->уктуре чугуна шлаковых включений ввиду затруднённости их вывода за пределы литни-овой системы (рис. 3).

Известно, что добавки РЗМ в качестве дополнения к магнию, способствуют росту гранта более правильной формы и повышают стабильность модифицирующего эффекта. Од-ако особенности влияния РЗМ в составе магниевого модификатора описаны по результатам сследования мишметалла - смеси, содержащей около 50% Се, 25% Ьа, 15% N(1 и 10% Рг. лияние конкретных РЗМ в составе магнийсодержащих модификаторов на структурообра-вание ВЧШГ до сих пор остаётся недостаточно изученным. Лантан по сравнению с други-и РЗМ обладает более слабым карбидообразующим и сфероидизирующим действием в чу-ге. Выдвинули предположение, что лантан в качестве дополнительной добавки к магнию, ижающей его активность, способен пролонгировать реакцию модификатора с расплавом и роцесс графитообразования, что может снизить склонность чугуна к усадке. Результаты ис-ытаний показали, что процент брака отливок по такому дефекту макроструктуры как уса-очная пористость при использовании модификатора Ьаше! (ФСМг5,5Ла) (0,19%, при кон-ентрации лантана 0,0010-0,0016%) более чем в 3 раза ниже, чем с модификатором ФСМг7 ,62%). Визуальная оценка состояния поверхности отливок показывает её более высокую стоту, отсутствие шлаковых дорожек. По сравнению с модификатором, содержащим ишметалл, Ьатй (ФСМг5,5Ла) обеспечил количество глобулей шаровидного графита лыпе в 1,75 раза. При использовании модификатора Ьатй (ФСМг5,5Ла) в микроструктуре гуна образуются конгломераты из крупных глобулей первичного графита и большого ко-чества мелких глобулей вторичного графита с ярко выраженным бимодальным асиммет-чным статистическим распределением диаметров графитных включений (рис. 4, 5).

Влияние лантана в составе магниевого модификатора на процесс графитообразования подавление усадочных процессов в ВЧШГ заключается в следующем. Лантан оказывает ияние как на увеличение ЦКГ в расплаве, так и на замедление скорости их роста из жидко-и (первичный графит) и аустенита (вторичный графит). После выделения из жидкости цен-ов кристаллизации первичного графита происходит их замедленный рост через аустенит-ую оболочку. При дальнейшем остывании из насыщенной углеродом аустенитной матрицы а существующих ЦКГ начинает выделяться большое количество мелких глобулей вторич-ого графита. Ввиду присутствия в чугуне конгломератов из глобулей первичного графита с

большим количеством глобулей вторичного графита повышается их способность к коагуляции (сгущению). Более позднее по времени выделение вторичного графита компенсирует усадочные процессы в отливке в момент прекращения функционирования прибылей, что обеспечивает снижение пористости и повышение механических свойств чугуна (при получении с использованием ФСМг5,5Ла отливок «Направляющая колодок переднего тормоза» из ВЧШГ марки 01156-40-05: ств = 589-657 МПа, 5 = 5-6%, НВ 198-249). В отливках «Направляющая колодок переднего тормоза», изготовленных с использованием «лёгкой» лигатуры Ьагпе! (ФСМг5,5Ла) по сравнению с исходной «лёгкой» лигатурой ФСМг7, равных по стоимости, структура имеет пониженный в 2,75 раза уровень брака по усадочной пористости и является рациональной. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках (по 1 с каждой плавки) расширенной опытной партии, состоящей из 5 опытных плавок по 20 т каждая.

(а) (б) Рис. 3. Усадочная пористость в отливке «Направляющая колодок переднего тормоза», модифицированной ФСМг7 (а — внешний вид с поверхности отливки, б — раскрытая усадочная раковина в попереч-_ном поверхности сечении) ___

(а) (б)

Рис. 4. Морфология графита (а, х 100x0,5) и микроструктура отливки (б, х500х0,5) «Направляющая колодок переднего тормоза», внутриформенное модифицирование Ьаше1 (ФСМг5,5Ла)

10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40^15 45-50 >50 Диаметр графитных включений, мкм

(в)

Рис. 5. Гистограмма размерного распределения включений графита в отливке «Направляющая колодок переднего тормоза», внутриформенное модифицирование Ьате1 (ФСМг5,5Ла)

Формирование структуры и свойств ЧВГ с использованием технологии внутрифор-кенного модифицирования «лёгкими» лигатурами. Установлено, что при получении ЧВГ гнутриформенным модифицированием, в отличие от ковшевого, перемешивание расплава ущественно хуже и в результате полноценного равномерного перераспределения компонен-ов чугуна не происходит, развивается расслоение шаровидного и вермикулярного графита.

Дополнительным фактором, ухудшающим структурообразование, является использо-ание в качестве материала для внутриформенной обработки ЧВГ модификатора с относи-|ельно высоким содержанием магния (свыше 6,5%) и низким содержанием РЗМ (менее ,8., 1,0%) в количестве, недостаточным для получения необходимой ССГ.

Все вышеуказанные недостатки наиболее ярко выражены при получении длинномерных отливок (при соотношении среднего диаметра к длине > 1:15). Структура, получаемая в ^тливках из ЧВГ при модифицировании по технологии внутриформенного модифицирова-:ия, отличается от регламентируемой для ЧВГ не только количеством шаровидного графита ШГ более 40%), но и его распределению по сечению и длине отливки. При использовании зерросиликомагния (модификатора ФСМг7, среднее содержание магния - 7%, РЗМ - 0,5%) ;,ля формирования вермикулярной формы графита за счёт эффекта недомодифицирования в икроструктуре отливки наблюдаются следующие отклонения.

Во-первых, имеет место морфологическое расслоение графита по высоте сечения от-ивки (рис. 6): в верхней половинке отмечается наличие преимущественно шаровидного рафита, а в нижней - преимущественно вермикулярного.

верхняя полуформа

а) (б)

Рис. 6. Общий вид расслоения графита (а) и его граница в серийной отливке

«Вал распределительный» (б, х 100x0,5), полученной при внутриформенном модифицировании ФСМг7

Расслоение графита по высоте сечения объясняется тем, что расплав при затекании в олость формы в процессе реакции с модификатором в реакционной камере плохо переме-швается, и магний, имеющий малый удельный вес (1,7 г/см3), всплывает в верхнюю часть тливки, вызывая, тем самым, образование в ней преимущественно шаровидной формы гранта. Такая особенность распределения графита по сечению отливки провоцирует при свер-ении внутреннего отверстия увод пушечного сверла в её нижнюю, более мягкую часть. При том разброс по твёрдости между верхней и нижней половинками сечения отливки составляв среднем 20.. .25 НВ.

Во-вторых, имеет место неоднородность структуры по длине отливки, что вызывает начительный разброс по твёрдости (от 12 до 56 НВ) между 1-м (структура с преобладанием !ермикулярного графита ВГф2, ВГфЗ над шаровидным) и 8-м (структура с шаровидным афитом - ШГд25, ШГд18) кулачком.

В-третьих, из-за относительно высокого содержания в модификаторе шлакообразую-дего элемента - кальция и несколько завышенного содержания магния микроструктура чу-кна загрязняется шлаковыми включениями (рис. 7, а). Один из характерных дефектов де-

верхняя полуформа

нижняя полуформа

нижняя полуформа

тально исследован с помощью электронного рентгеноспектрального микроанализа (рис. 7, б). Из анализа спектра видно, что шлаковые включения представляют собой конгломераты комплексных оксидов магния и кальция (7, в).

Известно, что РЗМ являются наилучшими стабилизаторами вермикулярной (при повышенном содержании РЗМ и пониженном содержании магния) и шаровидной (при пониженном содержании РЗМ и повышенном содержании магния) форм графита в чугуне. При этом следует учитывать, что содержание РЗМ в модификаторе ограничивается их высокой стоимостью и антиграфитизирующими свойствами. Сущность проводимых работ по совершенствованию состава модификатора для внутриформенной обработки чугуна с целью получения преимущественно вермикулярной формы графита заключалась, как и при ковшевом модифицировании, в установлении сбалансированных концентраций магния и РЗМ. При подборе рецептуры за основу принимали типовой модификатор ФСМг7, в химическом составе которого постепенно повышали содержание РЗМ и снижали содержание магния. При этом содержание графитизируюгцих элементов (Ва, Са, А1), входящих в состав модификатора для внутриформенного модифицирования, максимально ограничивали из-за их склонности к шлакообразованию и скоплению образовавшихся включений преимущественно на границах зёрен, учитывая отсутствие возможности проведения операции шлакоудаления.

(в)

Рис. 7. Газошлаковые раковины (а, х 10x0,5) в поверхности излома фрагмента отливки «Вал распределительный» и результаты рентгеноспектрального микроанализа включения вблизи газошлаковых раковин (а): электронно-микроскопический снимок (б); рентгеновский спектр (в)

Для проведения исследований по повышению качества отливок из ЧВГ изготовили специальный модификатор ФСМг6РЗМ1,5 с содержанием магния 5,8. ..6,3%, РЗМ 1,2...1,5% и кальция - до 0,4%. Перлито-ферритная структура ЧВГ во всех опытных отливках характеризуется наличием 90% вермикулярного графита при однородном его распределении, как по сечению, так и по длине отливки и обеспечивает следующие механические свойства: стЕ = 476-500 МПа, 5 = 1,2-1,6%, НВ 229-255. В отливках «Вал распределительный», изготовленных с использованием «лёгкой» лигатуры ФСМг6РЗМ1,5 по сравнению с исходной «лёгкой»

,8

1игатурой ФСМг7 структура является рациональной, так как при сопоставимой стоимости [анных «лёгких» лигатур исключён брак по механической обработке. Достижение стабиль-:ых показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливах от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Для установления влияния технологических особенностей внутриформенного моди-ицирования сплавами системы Ге-81-РЗМ с различным содержанием РЗМ на получение ПВГ в отливках проводили изготовление опытных отливок с использованием модификато-'ов ФС40РЗМ10 и ФС50РЗМ20 Анализ микроструктуры опытных отливок, полученных с ЗС40РЗМ10, показал постоянно присутствующие распределения графита - ПГр1 и ПГр9, а в -м кулачке, куда поступают первые порции расплава чугуна с повышенной концентрацией кодификатора, присутствует и распределение ПГр7. Микроструктура отливок полностью редставлена пластинчатым перлитом. Следовательно, при концентрации РЗМ в расплаве ,04%, даже принимая во внимание концентрационный перепад по длине отливки, вермику-ярная форма графита ещё не образуется.

Однако присутствие в микроструктуре 8-го кулачка крупнорозеточного распределения рафита показывает наличие первой стадии процесса формирования вермикулярного графи-а. Относительно низкая твёрдость отливки (до 163 НВ), учитывая её полностью перлитную труктуру, позволяет сделать вывод о графитизирующем и смягчающем действии малых до-авок РЗМ (до 0,04%) в чугуне. Анализ микроструктуры опытных отливок, залитых с )С50РЗМ20, показал, что графит в отливке практически полностью представлен вермику-ярной формой, а в объёме 8-го кулачка, обогащённого РЗМ, присутствуют соседствующие бласти мелкодисперсного междендритного распределения графита и полностью безграфит-:ые области с включениями свободного цементита. Микроструктура отливок состоит из ластинчатого перлита с равномерно распределёнными включениями цементита (Ц10-15). концентрация РЗМ в расплаве 0,075% позволила получить полностью вермикулярную раз-етвлённую форму графита. Концентрационный перепад РЗМ по длине отливки вызвал бо-ее высокое содержание свободного цементита в 8-м кулачке.

Установили, что получение однородной по графиту и с минимальным перепадом ме-анических свойств бесцементитной структуры ЧВГ в отливке по всей длине обеспечивает сработанная технология внутриформенного модифицирования ФС50РЗМ20 с предмоди-шцированием ФС75 массовой фракции 150-200 г в заливочной чаше формы. Графит в 1-м и 8-м кулачке отливки практически полностью представлен вермикулярной формой. Предварительное графитизирующее модифицирование позволило нивелировать в ЧВГ градиент 'онцентрации РЗМ по длине отливки, в результате чего получен чугун с достаточно одно-(одной бесцементитной структурой с небольшим количеством феррита (П85-90), обладающий следующими свойствами: ств = 432 МПа, 5 = 1,2%, НВ 239-244. Достижение стабильных (оказателей структуры и свойств отливок «Вал распределительный» подтверждается их поучением на отобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Для повышения прочностных свойств ЧВГ применяли такой наименее энергоёмкий и ехнологичный вид термической обработки как нормализация. Для проведения исследования ¡ыбрана та же отливка «Вал распределительный». Операцию нормализации проводили в доходной газовой печи по ступенчатому режиму: нагрев отливок вместе с печью до темпе-¡атуры 750°С, выдержка 40 мин, нагрев до температуры 910°С, выдержка 1 ч 40 мин, охлаж-1ение на воздухе в течение 2-х часов. Микроструктура ЧВГ до нормализации: ВГф2, ВГфЗ, ЗГ90, ПГф1; Пт1, П85. В структуре ЧВГ после нормализации содержание феррита осталось юизменным, а основная структура металлической матрицы представлена сорбитообразным юрлитом. Следовательно, после нормализации произошло повышение дисперсности и уплотнение перлитной составляющей при неизменном 5 = 1,2%, твёрдость нормализованного 1угуна возросла с 229 НВ до 260 НВ, а ств - до 500 МПа.

Пятая глава посвящена обеспечению стабильности структуры и свойств ВЧПТГ гра-фитизирующим модифицированием.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием графитизирующих модификаторов на основе ферросилиция. По результатам расширенных производственных испытаний установлено снижение расхода барийсодержагцего графитизирующего модификатора ФС65Ба4 по сравнению с ФС75л6 от 14,3 до 50% в зависимости от габаритов и толщины стенки конкретной отливки. Механические свойства и микроструктура отливок находятся в соответствии с установленным нормативом для каждой марки чугуна. При сравнении твёрдости и анализе особенностей микроструктуры отливок при первичном (ковшевом) и вторичном (в чаше формы) модифицировании установили, что эффективность позднего модифицирования намного выше раннего.

При вторичном графитизируюгцем модифицировании в чаше формы модификатором ФС55Ба22, оценивая морфологию графита (рис. 8), выявлено значительное преобладание правильной шаровидной формы графита ШГф5 (рис. 8, а), а при первичном графитизирую-щем модифицировании модификатором ФС55Ба22 - наоборот, шаровидный графит пред-

Рис. 8. Схема типов графита ШГф5 (а) и ШГф4 (б) (хЮО) в микроструктуре ВЧШГ, полученном при вторичном и первичном графитизирующем модифицировании ФС55Ба22

Обе формы шаровидного графита допустимы в микроструктуре ВЧШГ, однако тип ШГф5 характеризует более высокое качество и эффективность графитизирующей обработки высокобаристым ферросилицием, проводимой в момент заполнения формы, что связано с большим количеством остающихся в расплаве центров кристаллизации графита. По результатам проведённых исследований на расширенной номенклатуре отливок из ВЧШГ марок ВЧ50, СЬ56-40-05 и СЬ65-48-05 установили, что при использовании высокобаристого ферросилиция для первичного модифицирования в микроструктуре отливок более мелких графитных включений ШГд45 в среднем больше, чем при вторичном модифицировании в чаше формы, а количество более крупных включений ШГд90 в обоих случаях одинаково. Установлено, что первичное модифицирование ВЧШГ' позволяет обеспечить снижение твёрдости отливок (НВ 182-255) и более высокое содержание феррита (в среднем П50), а вторичное модифицирование - рост твёрдости (НВ 202-272) и более сильную перлитизацию матрицы (в среднем П60-70). В отливках, структура является рациональной, так как получена с использованием более эффективных, чем ФС75, графитизирующих модификаторов, обеспечивающих требуемое модифицирование чугуна при уменьшенном расходе: на 14,3-50% для ФС65Ба4 и на 33,3-75% для ФС55Ба22. Достижение стабильных показателей структуры и свойств чугуна подтверждается их получением на отобранных отливках от опытных партий в объёме 1 плавки (20 т).

Влияние на формирование литой структуры ВЧШГ с требуемым уровнем механиче-ких свойств варьирования стадийности ввода бария в составе модификатора заключается в ледующем. При позднем введении бария в расплав ВЧШГ создаётся его избыточная кон-ентрация, превышающая необходимую для связывания в химические соединения ПАЭ. Из-ыточный барий тормозит рост графитных включений за счёт снижения к ним диффузии уг-ерода из расплава. Оставшийся в аустените углерод способствует формированию перлит-ой металлической основы. Повышая поверхностное натяжение расплава чугуна, барий по-воляет сформировать правильную шаровидную форму графита ШГф5 даже при недостатке астворённого магния. При раннем введении бария в расплав ВЧШГ происходит полное свя-ывание адсорбированных на графитных включениях ПАЭ, за счёт чего происходит их очи-ение и дальнейший рост за счёт диффузии углерода из расплава при формировании пре-мущественно ферритной структуры.

Исследование влияния комплексных смесевых модификаторов и технологий их ввода а формирование структуры и свойств ВЧШГ. Основу комплексных смесевых модификато-ов нового поколения (МК) в соответствии с ТУ 0826-003-47647304 в отличие от традици-нных смесевых модификаторов, получаемых из отсевов выплавляемых модификаторов, со-тавляют порошки активированного высокотемпературной обработкой углерода (графита) и олученного физико-химическим путём кристаллического кремния при синтезе органогало-енсиланов. Главная особенность МК заключается в их высокодисперсном фракционном со-таве (10-30 мкм), что должно обуславливать резкое повышение модифицирующей способ-ости и «живучести» смеси.

По результатам исследований установили, что литая микроструктура отливок «Вал ко-енчатый» из чугуна СЬ75-50-03, полученных с применением смесевого модификатора [СКа21, с соотношением массовых частей углеродсодержащего материала к кремнийсо-ержащему 2:1 и добавлением 5% Са, имеет до 1% цементита по границам зёрен. Следова-ельно, расход данного модификатора в количестве 1 и 2 кг на ковш 1200 кг не обеспечивает еобходимый модифицирующий эффект, ввиду нарушения параметров микроструктуры чу-яа, но позволяет получить требуемые механические свойства (ст„ = 785-804 МПа, 5 = 8,0,8%, НВ 229-285). Механические свойства отливок «Вал коленчатый» после нормализации: в = 834-873 МПа, 8 = 5,2-8,0%, НВ 255-302. Микроструктура нормализованных отливок меет от 2 до 5% вторичного цементита по границам зёрен. Данное явление, по-видимому, бъясняется низким содержанием кремния в химическом составе чугуна из-за его недоста-очного поступления при модифицировании материалом с малым содержанием кремния, ри этом содержащийся в модификаторе мелкодисперсный графит оказывает влияние толь-о на формирование структуры чугуна из жидкого состояния и не влияет на его структуру осле термообработки (нормализации).

На практике установили практически полное отсутствие графитизирующего эффекта ри вводе материала МК21 (С:Б1 = 2:1) на днище ковша. Графит в отливках полностью пред-тавлен типом ШГф4 - шаровидной неправильной формой, что объясняется достаточной для ормирования глобулей концентрацией остаточного магния при недостаточном количестве ентров зарождения графита, в результате чего нарушается их равномерный объёмный рост.

При введении в стояк литниковой системы литейной формы перед заполнением её чу-гом 0,1% (65 г) материала МКМг19 = 1:9 с добавлением 5% М§) отбел уменьшился о 10% на глубину 8 мм от поверхности. Одновременное присутствие в структуре чугуна месте с перлитом феррита и цементита указывает на недомодифицирование чугуна, так как ри достаточном количестве модификатора углерод перераспределяется и участвует в фор-ировании перлитной структуры. Механические свойства отливок «Ступица переднего ко-еса»: ств = 775 МПа, 5 = 9,6%, НВ 239-255. Увеличение расхода материала МКМг19 в форму выше 0,15% (100 г) позволило полностью устранить свободный цементит, следовательно,

количества модификатора оказалось достаточным для полноценной обработки расплава чугуна. Механические свойства отливок: <тв = 765 МПа, 5 = 8,8%, НВ 249-255. При этом твёрдость отливок осталась на том же уровне, что и у отливок, полученных с применением 0,1% МКМг19. В отливках «Ступица переднего колеса», структура является рациональной, так как получена с использованием более эффективного и экономичного, чем ФС75, графитизи-рующего смесевого комплексного модификатора МКМг19 для позднего графитизирующего модифицирования. Достижение стабильных показателей структуры и свойств отливок «Ступица переднего колеса», подтверждается их получением на отобранных отливках от опытных партий в объёме 1 плавки (20 т). По результатам определения механических свойств установлено, что свойства отливок соответствуют марке ВЧ70. Таким образом, для получения ВЧШГ марки ВЧ70 разработана следующая схема двухступенчатого модифицирования: сфероидизирующая ковшевая обработка + последующее введение в стояк формы 0,15% модификатора МКМг19.

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием модификатора для встречного модифицирования и технологий его ввода. Для достижения требуемой литой структуры чугуна при нарушении технологии модифицирования (в случаях недомодифици-рования, перемодифицирования), отклонений химического состава чугуна и модификаторов, применена технология встречного модифицирования с использованием модификатора, условно названного — Glitter (от англ. — блестеть) на основе теллурида висмута — Bi2Te3. В процессе проведения комплекса исследований установлен его рациональный расход — 0,000125%, обеспечивающий формирование заданных показателей микроструктуры ВЧШГ в зависимости от стадийности их ввода совместно с графитизирующим модификатором.

Установлено, что использование модификатора Glitter для подавления ферритообразо-вания в структуре ВЧШГ, перемодифицированного графитизирующим модификатором, явилось достаточно эффективным: при увеличении расхода ФС75л6 в 1,7 раза (2,2 кг вместо 1,3 кг) в структуре чугуна преобладает перлитная составляющая П60-70 (НВ 241-246). При исключении операции ковшевого графитизирующего модифицирования ВЧШГ, введение модификатора Glitter в ковш совместно с поздним графитизирующим модифицированием вызывает снижение доли перлита в структуре до 15% (НВ 197-207). Совместное введение в расплав чугуна в ковше модификатора Glitter и ФС75л6 без последующего вторичного модифицирования ФС75лЗ в заливочной чаше формы позволило получить практически полную перлитизацию металлической матрицы ВЧШГ (П95) при твёрдости НВ 255-272. Следовательно, модификатор Glitter в зависимости от стадийности ввода с графитизирующим модификатором или без него может быть использован для изменения механических свойств ВЧШГ и получения в структуре чугуна металлической основы с различным соотношением перлит/феррит.

По результатам комплексных испытаний модификатора Glitter при получении отливок 2101-1005030 «Звёздочка коленчатого вала» из чугуна Gh65-48-05 установлено совместное влияние поверхностно-активных элементов — Bi и Те на структурообразование чугуна, заключающееся в следующем. При введении Bi и Те совместно с графитизирующим модификатором на ранней стадии (ковшевом модифицировании) они препятствуют дальнейшему росту и растворению находящихся в расплаве ЦКГ, представляющих собой как недораство-рившиеся включения графита, привнесённые из шихты, так и продукты реакции графитизирующего модификатора с примесями чугуна, и препятствуют как их дальнейшему росту, так и их растворению в расплаве. При введении Bi и Те в расплав чугуна на ранней стадии и последующем его графитизирующим модифицировании на поздней стадии (в предкристалли-зационный период) ПАЭ препятствуют дальнейшему росту и растворению только находящихся в расплаве недорастворившихся включений графита, унаследованных из шихты, после чего за счёт графитизирующего эффекта разблокируются уже существующие и форми-

уются новые ЦКГ из продуктов реакции графитизирующего модификатора с примесями чу-на. Достижение стабильных показателей структуры и свойств отливок «Звёздочка колен-атого вала» подтверждается их получением на отобранных отливках от опытной партии в бъёме 1 плавки (20 т).

Исследование влияния технологии вторичного графитизирующего модифицирования ЧШГ брикетами из отсевов модификаторов на формирование требуемой литой структуры.

ьтернативной вторичному графитизирующему модифицированию ВЧШГ ферросилицием ассовой фракции 150-200 г является технология модифицирования брикетами из отсевов роизводства графитизирующих модификаторов (ФС75, ФС65Ба1 и др.). Провели исследо-ние влияния данной технологии графитизирующего модифицирования на структуру ЧШГ Технология изготовления брикетов из ферросилиция с активными элементами для оричного графитизирующего модифицирования ВЧШГ является как ресурсосберегающей, иду использования отходов основного производства, так и энергосберегающей — в резуль-те ухода от переплава отходов (отсевов) и дополнительного расхода энергоносителей.

По результатам исследований 2-х разработанных схем вторичного графитизирующего одифицирования ВЧШГ - в заливочной чаше и внутри формы также установлен и описан оцесс растворения брикета в расплаве чугуна. Процесс протекает в несколько этапов: наго формирования («намораживания») на поверхности брикета корочки чугуна; её рост до одного обволакивания брикета; вскипание связующих веществ на поверхности брикета; зделение брикета на фрагменты и автономное растворение фрагментов брикета. Анализ олученных результатов показывает, что возникающая в некоторых случаях недостаточная епень сфероидизации графита в отливке связана с нестабильностью растворения брикета з-за неточного дозирования связующих компонентов. При этом возможны два случая: реждевременное растворение брикета за время наполнения формы из-за недостаточного ко-чества связующих материалов и/или высокой температуры заливаемого чугуна; неполное створение брикета за время наполнения формы из-за избыточного содержания связующих атериалов и/или низкой температуры заливаемого чугуна.

Следовательно, успешное применение брикетированных отсевов производства моди-икаторов для вторичного модифицирования ВЧШГ возможно только при строгом контроле личества связующих веществ, давления прессования, а также определения для каждой от-вки необходимой температуры заливки чугуна с точки зрения пролонгированного и, в то е время, полного растворения брикета за время заполнения формы. При достижении таких ловий процессы растворения брикета и ферросилиция массовой фракции 150-200 г будут поставимы, что обеспечит формирование бездефектной стабильной структуры ВЧШГ. В сследованных отливках «Ступица заднего колеса», «Картер редуктора заднего моста», «Вал ленчатый», изготовленных с использованием ресурсосберегающей технологии вторичного афитизирующего модифицирования брикетами из отсевов модификаторов по сравнению с оричным графитизирующим модифицированием кусковым ферросилицием структура яв-ется рациональной так как при равном расходе данных материалов, стоимость отсевов афитизирующих модификаторов намного ниже стоимости стандартного кускового ферро-лиция. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их поучением на отобранных отливках от каждой опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием технологии внутрифор-енного модифицирования литыми вставками. По результатам выполненных исследований становили, что применение литых вставок на основе ферросилиция для графитизирующего нутриформенного модифицирования позволило улучшить форму шаровидного графита реобладание формы ШГф5), продлить действие магниевого модификатора, уменьшить азмер и обеспечить равномерное распределение графита по объёму металлической матри-ы, предупредить появление цементита и подавить появление крупнодисперсных ферритных

областей. Дополнительно достигнута высокая прочность и полностью перлитная структура в отливках из ВЧШГ высоких марок. Достижение такого комплексного эффекта объясняется наследственным влиянием мелкодисперсной структуры литой вставки.

На первом этапе исследований с применением литых вставок получили в литье структуру, соответствующую нормативам для нормализованных отливок «Вал коленчатый» с содержанием равномерно распределённого феррита в структуре чугуна не более 8%. Стендовые натурные испытания показали преодоление деталью требуемых 600 часов ходимости. Испытания на усталостную долговечность показали, что все три детали выдержали 90 тыс., 111 тыс. и 140 тыс. циклов до разрушения.

На втором этапе исследований получили требуемые характеристики структуры и свойств отливок только за счёт использования литой вставки без первичного графитизи-рующего модифицирования и нормализации. Показано, что внутриформенное модифицирование ВЧШГ литыми вставками позволяет повысить временное сопротивление деталей «Вал коленчатый» в литом состоянии в среднем на 69 МПа, а в нормализованном — в среднем на 39 МПа. В отливках «Вал коленчатый», изготовленных с использованием технологии внут-риформенного модифицирования литыми вставками без нормализации по сравнению с технологией вторичным графитизирующего модифицирования кусковым ферросилицием и последующей нормализацией структура может считаться рациональной, так как получена по более экономичной технологии. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках от каждой опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Шестая глава посвящена формированию структуры и свойств СЧПГ графитизирую-щим модифицированием с учётом особенностей его химического состава и конструктивных особенностей получаемых отливок.

Формирование структуры и свойств СЧПГ с использованием графитизирующих модификаторов на основе Ферросилиция и технологий их ввода. Для получения объективной информации о влиянии на структурообразование чугуна активных добавок, входящих в состав графитизирующих модификаторов, проводили сравнительные производственные испытания на одной и той же детали из чугуна одной марки. Сопоставительные испытания проводили на СЧПГ марки Ghl90B для отливки «Блок цилиндров» при использовании трёх видов модификаторов ФС65Ба1, Superseed Extra (ФС75СтЦр) и Barinok (ФС75Ба2,5).

На первом этапе проводили подробное исследование модифицирующей способности модификаторов Superseed Extra (ФС75СтЦр) и Barinok (ФС75Ба2,5). Металлографический анализ чугуна отливок показал, что при использовании модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) в отличие от ФС75СтЦр форма графита даже в зоне литейной корки гильзы цилиндров не междендритная (ПГр8, ПГр9), а равномерно распределённая, без преимущественного направления (ПГр1). Анализ микроструктуры отливок показал, что поступающая в расплав низкосернистого СЧПГ (содержание серы не более 0,05%) концентрация стронция (0,00200,0033%) из модификатора ФС75СтЦр нивелирует графитизирующее влияние также поступающего из модификатора циркония (0,0033-0,0050%) за счёт связывания растворенного азота, проявляющееся в формировании аномальной морфологии графитных включений из распределений 111 pi, ПГр7, ПГр8 и ПГр9. На втором этапе установили снижение расхода модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) по сравнению с Superseed Extra (ФС75СтЦр) примерно на 20%. Металлографический анализ показал полное соответствие микроструктуры и механических свойств отливок установленному нормативу. На третьем этапе работ проводили расширенные производственные испытания модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) без добавления графита в зёрнах при ковшевом расходе 0,25-0,33%. Установлено, что использование модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) обеспечило снижение склонности расплава чугуна к от-белу в 2 раза. По результатам испытаний модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) эксперимен-

ально доказана его высокая эффективность, обеспечивающая стабильность процесса графи-изирующего модифицирования по сравнению с Superseed Extra (ФС75СтЦр) + графит в ёрнах. Структура отливок «Блок цилиндров», изготовленных с использованием графитизи-ующего модификатора Barinok (ФС75Ба2,5) по сравнению с графитизирующим модифика-ором Superseed Extra (ФС75СтЦр) является рациональной, так как при практически равной тоимости данных материалов, графитизирующий модификатор Barinok (ФС75Ба2,5) обес-ечивает менее затратную технологию графитизирующего модифицирования. Достижение абильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных тливках от каждой опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

При ковшевом графитизирующем модифицировании микроструктура поверхностных оёв и на глубине в крупногабаритных отливках из перлитного СЧПГ, например, «Блок ци-индров», характеризуется неоднородным распределением графита и наличием свободного еррита. Одним из возможных вариантов подавления свободного феррита является мйкро-егирование. При доведении в чугуне Ghl90B содержания меди до 0,4% и олова до 0,13% странен свободный феррит в отливках «Блок цилиндров». Другим возможным вариантом нижения содержания феррита является уменьшение дозы вводимого модификатора, однако ри этом повышается вероятность получения отбела. Для преодоления этого противоречия ровели исследование влияния вторичного внутриформенного модифицирования литыми ставками на основе ферросилиция с активными графитизирующими добавками на показали структуры и свойств отливок. Для удобства установки в нижнюю полуформу использо-али литую вставку, совмещённую с керамическим фильтром и представляющую собой ком-инированный фильтр. Наличие в составе модификатора Са, Mn, РЗМ позволило снизить ассу литой вставки до 0,1%) (110 г) от металлоёмкости литниковой системы. Результаты ис-едований показали, что эффективное модифицирование низкосернистого перлитного ЧПГ в крупногабаритных отливок обеспечивает следующая двухступенчатая схема: С40РЗМ10 в количестве 1,0 кг в ковш + литая вставка массой 110 г в форму. Достижение абильных показателей структуры и свойств отливок «Блок цилиндров» подтверждается их олучением на отобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

В технологии получения мелкого тонкостенного литья из СЧПГ с повышенным со-ержанием серы - 0,06...0,08%, например, отливок «Поршневое кольцо», ввиду высоких ебований к качеству структуры и свойств совместно применяется смесь следующих моди-икаторов — ФС65Ба1 и комплексного модификатора ФС30У60, состоящего, в свою очередь, з ферросилиция, силикокальция и графита. Общая масса навески данного смесевого моди-икатора - около 1,1 кг. Несмотря на то, что сера снижает жидкотекучесть чугуна и не-колько повышает его склонность к отбелу, в СЧПГ для мелких тонкостенных отливок она озволяет формировать регламентируемый нормативом розеточный ПГр7 мелкодисперсный афит ПГд15-25. Совместное применение модификаторов ФС65Ба1 и ФС30У60 позволяет величить количество ЦКГ для обеспечения роста пластинчатого графита в чугуне, снизить епеггь переохлаждения чугуна в процессе эвтектической кристаллизации, что позволяет вести к минимуму вероятность образования отбела, особенно в тонкостенных отливках, и лучшить обрабатываемость. Однако совместное действие этих модификаторов является не-остаточно эффективным — уровень брака отливок по шлаковым включениям и газовым ра-овинам превышает установленный норматив. Указанные недостатки данного комплексного одификатора обусловлены наличием в его составе повышенных концентраций алюминия, ызывающего газовую пористость, и кальция, стимулирующего повышенное шлакообразо-ание при связывании серы. Таким образом, с целью повышения эффективности использо-ания графитизирующего модификатора для высокосернистого СЧПГ (при содержании серы т 0,05% и выше) в его составе должны содержаться элементы, имеющие высокое сродство к

сере, с минимальной шлакообразующей (барий и кальций) и газообразующей способностью (алюминий).

По результатам исследований опытно-промышленной партии поршневых колец, полученной с применением модификаторов Superseed75 (ФС75Ст) и Superseed Extra (ФС75СтЦр), внутренний брак по макроструктуре снизился на 21% и внешний брак по макроструктуре при механической обработке — на 33%. Установлена высокая эффективность опытных модификаторов при обработке расплава СЧПГ марки СЧ40, снижена величина навески до 0,4 кг при снижении отбела в отливках с 0,06% до 0,003%. Структура отливок «Поршневое кольцо», изготовленных с использованием графитизирующего модификатора Superseed 75 (ФС75Ст) по сравнению с комплексным графитизирующим модификатором ФС65Ба1+ФС30У60 может считаться рациональной, так как получена по более экономичной технологии. Достижение стабильных показателей структуры и свойств подтверждается их получением на отобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Исследование влияния комплексных смесевых модификаторов и технологий их ввода на структурообразование и свойства СЧ111'. Результаты выполненных исследований позволили установить эффективность работы смесевого модификатора на СЧПГ для отливок «Блок цилиндров»: усвоение углерода и кремния из модификатора в металле составило 3565% и 50-100% соответственно. Микроструктура и твёрдость СЧПГ в отливках: перлит, феррит до 5%, кромочный цементит на глубину до 2 мм, междендритное распределение графита ПГр8, ПГр9; НВ 229. Низкое усвоение мелкодисперсных компонентов модификатора и, как следствие, недомодифицирование чугуна, может быть обусловлено большим количеством фракции, имеющей размер меньше критического, с точки зрения смачивания и растворения в расплаве чугуна, которая выносится на поверхность зеркала металла и сгорает на воздухе. Однако при увеличении размера фракции модификатора теряется эффект зарождения центра кристаллизации графита в чугуне непосредственно из частицы графита в модификаторе. Таким образом, установили, что для составляющих модификатора - мелкодисперсного графита, формирующего зародыш графитного включения в чугуне и мелкокристаллического кремния, усиливающего образование и рост включений графита, главной проблемой является улучшение их усвоения расплавом. Ввиду того, что в микроструктуре отливки присутствует и феррит и цементит, имело место недомодифицирование расплава.

По результатам испытаний смесевого модификатора на СЧПГ определили следующее:

1. Ковшевое модифицирование расплава материалом МК21 в количестве ~ 0,15% (2 кг) не обеспечило необходимое качество отливки: в отливке присутствует поверхностный отбел на глубину 5 мм и распределение графита типов ПГр8, ПГр9; НВ 229.

2. Введение в стояк литниковой системы литейной формы 0,05% (15 г) материала МКМг19 позволило с 5 до 1,5 мм уменьшить поверхностный отбел и устранить междендритное распределение графита ПГр9; НВ 217-229.

3. Увеличение расхода материала МКМг19 в форму до 0,1% (30 г) позволило полностью устранить свободный цементит и распределение графита ПГр8, следовательно, количества модификатора оказалось достаточным для полноценной обработки расплава и устранения его переохлаждения; НВ 207-217.

Таким образом, введение 0,1% смесевого модификатора МКМг19 в стояк формы после предварительной обработки расплава в ковше 2 кг (~ 0,15%) модификатора МК21, вводимого под струю единой порцией, позволяет получить требуемое качество отливок. При внут-риформенном графитизирующем модифицировании СЧПГ смесевым модификатором МКМг19 в отливках обнаружили междендритный графит и цементит в углу сечения при относительно низкой твёрдости — НВ 197-207. Следовательно, внутриформенное графитизи-рующее модифицирование СЧПГ без предварительной обработки графитизатором в ковше

вляется неэффективным и нецелесообразным. Достижение стабильных показателей струк-уры и свойств отливок подтверждается их получением на отобранных отливках от опыт-ых партий в объёме 1 плавки (20 т).

Формирование структуры и свойства СЧПГ с использованием модификатора для стречного модифицирования и технологий его ввода. Анализ результатов исследований афитизирующей способности модификатора для встречного модифицирования Glitter по-азал, что его введение в расплав СЧПГ, модифицированного по серийной технологии, в ко-ичестве 0,00225% позволяет снизить выделение свободного феррита в микроструктуре чу-на на 5% (с 10% до 5% и с 5% до 0) при неизменной твёрдости НВ 207-217, а также спо-бствует получению наиболее благоприятной морфологии графита - ПГр1 (росту более рупных пластинок графита одинакового размера) и более равномерному его распределению о объёму металлической матрицы. Введение модификатора Glitter в ковш с поздним графи-зирующим модифицированием позволяет устранить свободный цементит. Достижение абильных показателей структуры и свойств отливок подтверждается их получением на тобранных отливках от опытной партии в объёме 1 плавки (20 т).

Седьмая глава посвящена повышению работоспособности тяжёлонагруженных дета-ей из СЧПГ за счёт микролегирования и сбалансированности углеродного эквивалента, формулированы три возможных направления улучшения свойств материала в таких дета-ях (на примере тормозных дисков): подбор содержания серы для обеспечения получения еобходимого размера и количества включений сульфида марганца; микролегирование эле-ентами-карбидообразователями для повышения контактной прочности и стабильности пер-ита при повышенных температурах с учётом их охрупчивающего влияния при превышении опустимой концентрации; снижение содержания кремния при сохранении углеродного эк-ивалента для повышения трещиностойкости за счёт повышения теплопроводности чугуна и ижения хрупкости ферритной составляющей.

Микролегирование СЧПГ серой. По результатам сравнительных лабораторных испы-ний образцов СЧПГ из тормозных дисков с содержанием марганца 0,41-0,55% и серы ,02%, 0,12%, 0,13% и 0,14% (рис. 9) определили оптимальную концентрацию серы (0,12%), озволяющую в 2 раза повысить износостойкость чугуна без снижения его механических ойств. По результатам триботехнических испытаний установили, что с увеличением со-ержания серы до 0,12% растёт количество мелкодисперсных включений сульфида марган-а, имеющих размеры, не превышающие толщины графитных пластинок, и образующих в абочем контакте экранирующую термостойкую плёнку с высокой адгезией и смазывающи-и свойствами. При дальнейшем повышении концентрации серы свыше 0,13% происходит рупнение включений сульфида марганца до размеров, превышающих толщину графитных ластин, что приводит к снижению комплекса прочностных и эксплуатационных свойств, тендовые испытания серийных и опытных тормозных дисков с содержанием серы 0,02% и ,12% соответственно проводили по двум методикам: по 1-й методике сравнивали износно-рикционные свойства тормозных дисков и величину прироста разнотолщинности после ис-ытаний; по 2-й методике проводили сравнительную оценку стойкости серийного и опытно-материалов тормозных дисков к усталостному растрескиванию от многократного воздей-вия резких «тепловых ударов» при торможении с высоких начальных скоростей.

По результатам испытаний для опытных тормозных дисков по сравнению с серийными становлено снижение износа на 40%, прироста разнотолщинности на 50%, уменьшение из-оса тормозных колодок на 12% при удовлетворительной трещиностойкости. Следователь-о, структура тормозных дисков из чугуна с содержанием серы до 0,12% по сравнению с чу-[ом, содержащим 0,02% серы, может считаться рациональной.

Микролегирование СЧПГ элементами-карбидообразователями. По результатам иссле-ований структуры и свойств образцов из чугуна Ghl90 до и после триботехнических испы-

таний обнаружено, что увеличение содержания молибдена и титана до 0,6% и 0,02%, соответственно, повышает уровень твёрдорастворного упрочнения СЧПГ и увеличивает его износостойкость.

Увеличение содержания в СЧПГ марганца и хрома по сравнению с их исходными концентрациями также позволяет значительно повысить его твёрдорастворное упрочнение и износостойкость. Повышение износостойкости СЧПГ микролегированием элементами-карбидообразователями связано с его упрочнением за счёт их стабилизирующего влияния на перлитный цементит. Это подтверждено исследованиями микроструктуры после отжига образцов из чугуна СЫ90 без дополнительного легирования, а также легированного марганцем и хромом (рис. 10). Дополнительное микролегирование серийного чугуна ОЫ90 (рис. 10, а) марганцем (1,09%, рис. 10, б) и хромом (0,58%, рис. 10, в) вызывает замедление процесса обезуглероживания, причём влияние хрома, более существенно. Качественный рентгенос-пектральный микроанализ СЧПГ, микролегированного марганцем и хромом, показывает их неоднородное распределение между ферритом и перлитом.

Рис. 10. Распад цементита перлита после моделирующего отжига (600°С х 1 час) в поверхностных слоях образцов из чугуна СЫ90, без дополнительного легирования (а), легированного 1,09% марганца (б) и 0,58% хрома (в) (х800, уменьшено в 3 раза)

Содержание хрома в перлите существенно выше, чем в феррите, за счёт его более вы-окого содержания в перлитном цементите. Следовательно, именно хром в большей степени табилизирует перлитную структуру. При превышении определённой концентрации марганца и хрома в чугуне наблюдается снижение его износостойкости, что можно связать с охруп-иванием. По результатам проведённых исследований определили диапазоны содержания еры, марганца и хрома при совместном легировании ими чугуна. Установлена необходимая онцентрация марганца и хрома при совместном легировании: Мпизбо/омас + 2-Сго/оМас = 1,5%, де Мпиз6о/.мас - количество марганца, несвязанного в сульфиды. Увеличение содержания мар-анца и хрома до этой концентрации приводит к повышению износостойкости СЧПГ, а выше к её снижению и падению прочностных характеристик.

Подбор и уточнение углеродного эквивалента в СЧ11Г. СЧПГ, имея постоянный угле-одный эквивалент, обладает улучшенными теплофизическими характеристиками (тепло-роводностью, коэффициентом линейного расширения) при повышенном содержании сво-одного графита и пониженном содержании кремния. Вместе с тем уменьшение содержания ремния в металлической матрице позволяет ослабить процесс графитизации чугуна при на-реве и рост содержания феррита. В диапазонах содержания углерода от 3 до 4% и кремния т 1 до 3%, теплопроводность чугуна X, Вт/(м-К) может быть оценена с достаточной степе-:ью точности по следующему уравнению регрессии, выведенному с использованием экспе-иментальных данных: X = 17,4(%С)-6,3(%81).

По результатам проведённых стендовых натурных испытаний установили повышение рещиностойкости вентилируемых тормозных дисков за счёт улучшения теплофизических войств чугуна с увеличением содержания углерода и снижением содержания кремния при еизменном углеродном эквиваленте. При увеличении содержания углерода и снижении со-ержания кремния повышается теплопроводность, а за счёт этого и трещиностойкость чугу-а без ухудшения остальных его характеристик и показателей (в температурном диапазоне 0-600°С). По результатам сравнительных испытаний на трещиностойкость двух серийных и вух опытных дисков установлено, что внешняя и внутренняя рабочие поверхности серийных дисков покрыты сеткой трещин; из двух опытных дисков только на внешней стороне дного образовались единичные трещины. Установлена зависимость трещиностойкости ¡4111 от содержания углерода (3,35...3,59%) и кремния (1,46...2,17%) при неизменном уг-еродном эквиваленте (4,07%). Структура тормозных дисков из чугуна с содержанием угле-ода до 3,59% и кремния до 1,46% по сравнению с чугуном, содержащим 3,35% углерода и 1,17% кремния, является рациональной. Достижение стабильных показателей структуры и войств подтверждается их получением в отливках, отобранных от каждой опытной партии в /бъёме 1 плавки (20 т). Обеднение по кремнию феррита перлита при одновременном увеличении содержания свободного графита благотворно влияет как на теплофизические (за счёт ысокой теплопроводности графита и феррита с низким содержанием кремния), так и на из-|:осно-фрикционные свойства чугуна (за счёт пониженной хрупкости феррита с низким со-

держанием кремния и повышенного содержания свободного графита, являющегося твёрдой смазкой).

В заключении по полученным результатам исследований проведена классификация рекомендуемых к использованию в действующем производстве исследованных лигатур для модифицирования чугунов по размерам фракции, способу ввода, получаемой структуре и механизму модифицирования, представленная в табл. 2.

Таблица 2

Классификация рекомендуемых к использованию в действующем производстве __исследованных лигатур для модифицирования чугунов____

Группа . Материалы Достигаемый эффект Область применения Фракция Способы модифицирования Механизм модифицирования

i V Cu-Mg-P3M, Cu-Ni-Mg-P3M, Fe-Si-Cu-Mg-P3M ов« 844-903 МПа, НВ 269298,5 = 3,6-6,0%; ССГ -90%: перлитизаиия ВЧ70 и выше Кусок 2-6 кг Ковшевое сфероидизирующее модифицирование S ч • с Г-1 ct

Lamet5836 (ФСМгбЛа) НВ 170-249; ССГ £ 80% ВЧ50, СИ56-40-05, <ЗЬ65-48-05 Гранулы 4-32 мм

ФСМг4,5РЗМ4,5 НВ 229-239; ВГф2, ВГфЗ; выравнивание структуры ЧВГ40 Гранулы 1-5 мм

<т. = 589-657 МПа, НВ 198- Гранулы 1-4 мм

Lamet (ФСМг5,5Ла) 249,6 = 5-6%; ССГ-90%; ВЧ всех марок

подавление усадки

ФСМг6РЗМ1,5 о. = 476-500 МПа, НВ 229-255,5=1,2-1,6%; ВГф2, ВГфЗ; выравнивание структуры ЧВГ всех марок Гранулы 1-4 мм Внутриформенное сфероидизирующее модифицирование

ФС50РЗМ20 а. = 432 МПа, НВ 239-244, 5 = 1,2%; ВГф2, ВГфЗ; вы- ЧВГ всех марок Гранулы 1-4 мм S

равнивание структуры й

НВ 182-255; ШГф4, Гранулы 3S

ФС55Ба22 снижение НВ ВЧ всех марок 1 -5 мм W

НВ 202-272; ШГф5, повышение НВ, перлитизаиия Кусок 150-200 г ж

II МК21, МККа21, МКМг19 Устранение отбела, перлитизаиия; ВЧ: <т, = 775 МПа, НВ 239-255,5 = 9,6%; СЧ: НВ 197-207 ВЧ70 и выше, СЧ на перлитной основе Частицы 7-30 мкм 5 с ¥ с.

БрФС75, БрФС65Ба1, БрФС65Ба4 НВ 170-249; устранение отбела, ССГ-90% ВЧ всех марок Брикет, фракция 0-1,0-4, 1-4,1-5 мм Графитизирующее модифицирование еч S «

Литые вставки Гермало й/О пти гран ВЧ: перлитизация без нормализации, упразднение ковшевого графитизирую-щего модифицирования, ССГ - 90% ВЧ70 и выше 110 г (0,1%)

СЧ: устранение отбела, СЧ на перлит-

перлитизация. ПГр1, ПГф1 ной основе

Superseed Extra (ФС75СтЦр), Superseed75 (ФС75Ст), Barinok (ФС75Ба2,5), Foundrisil (ФС75Ба1), ФС65Ба4 ПГр 1, ПГф 1, устранение отбела, шлакообразования и газовой пористости СЧ всех марок Гранулы 1-5 мм

ВЧ: устране-

ние отбела,

Ш Модификатор Glitter для встречного Ковшевое граф итизируюшее модифицирование ВЧ иСЧ перлитизация или феррити-зация; НВ 197272 Встречное модифицирование о с.

модифицирования СЧ: устранение отбела, перлитизация, ПГр1, ПГф1; НВ 207-217 <N

По результатам диссертации сформулированы следующие общие выводы:

1. Проведено комплексное исследование формирования стабильных требуемых показателей уктуры и свойств всех типов и основных марок графитизированных конструкционных чугунов

ЧШГ, ЧВГ, СЧПГ) на перлитной, перлито-ферритной и ферритной основах модифицированием о существующим и усовершенствованным технологическим схемам с применением широкого ектра модифицирующих материалов различной природы, химического и фракционного составов.

2. Установлены особенности влияния лантана (0,0010-0,0016%) на образование конгломера-в крупных глобулей первичного графита (20-25 мкм) и большого количества мелких глобулей оричного графита (5-10 мкм), имеющих бимодальное асимметричное статистическое распределе-

ие по диаметру включений. Показано, что более позднее по времени выделение вторичного графи-компенсирует образование такого дефекта макроструктуры в отливке как усадочная пористость в омент прекращения функционирования прибылей, что обеспечивает повышение механических ойств чугуна. По сравнению с типовым ФСМг7 магниевый модификатор с лантаном обеспечил олучение в 1,75 раза большего количества глобулей графита (преимущественно 5-10 мкм) и позво-ил уменьшить более, чем в 3 раза, появление такого дефекта макроструктуры как усадочная порис-сть в отливках из ВЧШГ.

3. Установлена зависимость влияния бария на структурообразование (морфологию, распре-еление и размер графитных включений, соотношение феррит/перлит) ВЧШГ в зависимости от ста-ийности его ввода в процессе графитизирующей обработки расплава. При получении ВЧШГ в за-

симости от стадийности ввода одного и того же графитизирующего модификатора (ФС55Ба22) еняются механические свойства и морфология шаровидного графита: раннее (ковшевое) введение афитизирующего модификатора в расплав в отличие от позднего (в заливочной чаше формы) спо-бствует снижению твёрдости чугуна (НВ 182-255 вместо НВ 202-272), уменьшению в микро-уктуре количества перлитной составляющей (П30-80 вместо П45-80) с преобладанием более елкой (ШГд45) неправильной формой графитных включений ШГф4.

4. Подтверждён вклад количества и вида активных добавок (Ва, Са, Zr, Sr, РЗМ) в составе одификатора на основе ферросилиция на эффект графитизирующего модифицирования СЧПГ. освенным путём на основе анализа микроструктуры (морфология и распределение графитных

ючений и свободного феррита, величина отбела клиновой пробы) и технологических параметров роцесса модифицирования (температура жидкого чугуна, ковшевой расход модификатора) уста-овлено, что влияние циркония (0,0033-0,0050%), связывающего азот в соединение ZrN2, являю-ееся далее зародышем графитного включения, нивелируется влиянием несвязанного в сульфиды ободного стронция (0,0020-0,0033%) при содержании серы в чугуне до 0,06%. Разработаны тех-ологические схемы графитизирующего модифицирования СЧПГ в зависимости от содержания се-i и габаритов получаемых отливок. Экспериментально доказано, что при графитизирующем мо-фицировании низкосернистого чугуна модификатором Barinok (ФС75Ба2,5) морфология графита к в теле отливки, так и в литейной корке (зоне припуска) представлена благоприятной равномерно спределённой формой ПГр1, а при обработке расплава модификатором Superseed Extra С75СтЦр) в литейной корке графит представлен нежелательными междендритными формами Гр8, ПГр9.

5. Доказано, что позднее графитизирующее модифицирование ВЧШГ литыми внутрифор-енными вставками на основе ФС75 с добавками алюминия, кальция и РЗМ позволяет полностью сключить использование графитизирующего модификатора для первичной ковшевой обработки

гуна, а также позволяет получать бесферритную микроструктуру в литом состоянии, соответствую нормализованной. Опытные детали «Вал коленчатый», полученные по данной технологии, пешно прошли необходимые испытания на ресурс (600 ч) и усталостную долговечггость (90-140 гс. циклов).

6. Предложены и реализованы подходы к микролегированию СЧПГ в отливках, работающих сложных эксплуатационных условиях (на примере тормозного диска), с целью повышения основ-ых и специальных свойств. Показагго, что процессы, вызывающие снижение поверхностной проч-ости ггз-за изменения структуры чугуна могут быть существенно замедлены путём введения эле-ентов-карбидообразователей. Определена зависимость поверхностной прочности СЧПГ от совме-ного содержания марганца и хрома. Установлены и описаны особенности влияния количества и

азмеров сульфидов маргаггца (MnS) на повышение износостойкости деталей из СЧПГ. Исходя из ебуемого размера сульфидов марганца, подобран необходимый диапазон содержания серы -,11...0,13%. Установлена зависимость трещиностойкости СЧПГ от содержания углерода ,35...3,59%) и кремния (1,46...2,17%) при неизменном углеродном эквиваленте (4,07%).

7. Описаны и систематизированы основные разновидности «тяжёлых» лигатур на никелевой и/или медной основах с позиций модифицирующей и микролегирующей способности. Установлено, что при правильно подобранном расходе базовая «тяжёлая» лигатура Си-\^-РЗМ и разработанная более экономичная «тяжёлая» лигатура Рс-51-Си-М§-РЗМ эквивалентны по своей эффективности (расход 0,83%). Показано, что применение «тяжёлой» лигатуры Си-1у^-РЗМ наиболее целесообразно при получении отливок из высоких марок ВЧШГ, начиная с ВЧ70, с нормализацией при более низких, по сравнению с лигатурой Ы1-М§-РЗМ, температурах - порядка 870°С.

8. Установлено, что разработанные и равнозначные по эффективности технологии «заливка сверху» и «контейнерная технология» позволяют обеспечить требуемые механические свойства и микроструктуру отливок из ЧВГ и ВЧШГ низких марок (для ЧВГ40: НВ 187-239, ВГф2, ВГфЗ; для ВЧ50: НВ 170-229, ССГ > 80%). Подобран и подтверждён расход «лёгкой» лигатуры, обеспечивающий необходимое качество модифицирования: для ЧВГ40 - 0,67%, для ВЧ50 - 1,33-1,42%. Разработаны и опробованы составы модификаторов для получения отливок из ЧВГ внутриформенным модифицированием: магнийсодержащего - ФСМг6РЗМ1,5 и безмагниевого - ФС50РЗМ20. Использование данных модификаторов позволяет получить требуемые механические свойства (ФСМг6РЗМ1,5: ст„ = 476-500 МПа, б = 1,2-1,6%, НВ 229-255; ФС50РЗМ20: о„ = 432 МПа, 5 = 1,2%, НВ 239-244), устранить расслоение графита и разброс значений твёрдости как по длине, так и по сечению отливки, а также заметно снизить загрязнение тела отливки шлаковыми включениями - продуктами реакции активных элементов модификатора с примесями. Применение модификатора ФС50РЗМ20 позволяет стабильно получать вермикулярную форму графита при проведении предварительной графитизирующей обработки в заливочной чаше формы.

9. Установлен эффект от совместного влияния ПАЭ - В1 и Те в составе В^Тез (0,00125% В^Тсз для ВЧШГ и 0,00225% В12Тсз для СЧПГ) - на структурообразование чугунов в зависимости от стадийности ввода с графитизирующим модификатором или без него с целью получения требуемой структуры чугуна. При введении В1 и Те совместно с графитизирующим модификатором на ранней стадии (ковшевом модифицировании) они препятствуют дальнейшему росту и растворению находящихся в расплаве ЦКГ, представляющих собой как унаследованные недорастворившиеся включения графита, привнесённые из шихты, так и продукты реакции графитизирующего модификатора с примесями чугуна. Проявлением такого совокупного эффекта является измельчение графитной фазы, увеличение длительности графитизирующего эффекта и перлитизация структуры чугуна. При введении В1 и Те в расплав чугуна на ранней стадии и последующем его графитизирующим модифицировании на поздней стадии (в предкристаллизационный период) ПАЭ препятствуют дальнейшему росту и растворению только находящихся в расплаве недорастворившихся включений графита, перешедших из шихты, после чего за счёт графитизирующего эффекта разблокируются уже существующие и формируются новые ЦКГ из продуктов реакции графитизирующего модификатора с примесями чугуна. При этом происходит измельчение графитной фазы и ферритизация структуры чугуна. Показано, что в зависимости от выбранной схемы модифицирования структура чугуна может меняться от ферритной (Ф85, НВ 197-207) до перлитной (П95, НВ 255-272).

10. Установлено, что разработанные технологические схемы - сфероидизирующая ковшевая обработка расплава чугуна с последующим введением в стояк формы 0,15% графито-кремниевого смесевого модификатора с магнием МКМг19 обеспечивает гарантированное получение ВЧШГ высоких марок (свыше ВЧ70), а графитизирующая ковшевая обработка 0,17% графито-кремниевым смесевым модификатором МК21 под струю единой порцией с последующим введением в стояк формы 0,1% графито-кремниевого смесевого модификатора с магнием МКМг19 - СЧПГ на перлитной основе.

11. Обеспечено получение требуемых механических свойств: ов = 451-491 МПа, 6 = 15,024,4%; НВ 170-185 и показателей микроструктуры ВЧШГ ферритного класса для мелких серий ответственных отливок с высокими пластическими характеристиками - ВАЗ-2116 «Кулак поворотный» и «Корпус подшипника ступицы заднего колеса» с использованием разработанной технологии и сформулированы комплексные рекомендации по её промышленному использованию. Разработанные, опробованные и внедрённые способы ковшевого модифицирования ВЧШГ на основе базовой технологии «сэндвич»-процесс для получения литых деталей новой конструкции в объёме мелких серий органично вписываются в существующую схему производства чугунного литья с задействованием базового оборудования и оснастки.

12. Результаты исследований внедрены в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» — получено 11 актов внедрения графитизирующих (8ирегзееё75 (ФС75Ст), Ваппос (ФС75Ба2,5), Гер-малой, РоипсМзП (ФС75Ба1)) и сфероидизирующих (Ьате1 (ФСМг5,5Ла), Ьате15836 (ФСМгбЛа),

ompaktmag (ФСМГ5,5РЗМ6)) модификаторов с общим экономическим эффектом 60 млн. 918 тыс. ублей в текущих ценах 2005-2010 гг., получено 3 патента (2 на составы лигатур для модифици-ования и легирования сплавов и 1 - на состав антифрикционного чугуна) и ОАО «АЛНАС» (г.

ьметьевск) - химический состав серого чугуна перлитного класса, обеспечивающий повышенные ксплуатационные свойства (трещиностойкость, износостойкость), с содержанием серы 0,11-0,13%.

13. На основании выполненных исследований разработаны научно-обоснованные технологи-еские решения по обеспечению стабильности свойств графитизированных конструкционных чугу-ов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие машиностроения страны.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Монографии:

1. Болдырев, Д. А. Обеспечение рационального структурирования чугунов путём их моди-ицирования и микролегирования [Текст] / Д. А. Болдырев. - Брянск: БГИТА, 2010. - 45 с.

2. Болдырев, Д. А. Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов для тливок автомобилестроения [Текст] / Д. А. Болдырев, В. М. Сканцев. - Брянск: БГТУ, 2010. - 248

3. Болдырев, Д. А. Повышение основных и специальных свойств серого перлитного чугуна я блоков цилиндров микролегированием хромом и серой [Текст] / Д. А. Болдырев, В. М. Сканцев, . А. Пичугин. - Брянск: БГТУ, 2012. - 91 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Болдырев, Д. А. Комплексные лигатуры для получения перлитных чугунов [Текст] / Д. А. олдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // Литейное производство. - 2012. - №10. - С. 12-16

2. Болдырев, Д. А. Способы графитизирующего модифицирования чугунов и контроль сте-ени их модифицирования [Текст] / Д. А. Болдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // Металлургия ашиностроения. - 2012. - №5. - С. 11-15

3. Болдырев, Д. А. Термический анализ влияния параметров модифицирования серого чугу-а на показатели кристаллизации [Текст] / Д. А. Болдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // Литей-ик России. - 2012. - №7. - С. 15-20

4. Болдырев, Д. А. Комплексные лигатуры Cu-Ni-Mg-P3M и Cu-Si-Mg-P3M для ковшевого фероидизирующего модифицирования и микролегирования ВЧ высоких марок при получении ав-омобнльных отливок [Текст] / Д. А. Болдырев, В. И. Жарков, А. А. Пичугин // Литейщик России. -011,-№7.-С. 11-16

5. Болдырев, Д. А. Повышение комплекса основных и специальных свойств серого перлит-ого чугуна для отливок «Блок цилиндров» микролегированием хромом и серой [Текст] / Д. А. Бол-ырев, В. И. Жарков // Литейщик России. - 2011. - №3. - С. 19-28

6. Болдырев, Д. А. Основные текущие и перспективные направления исследовательских ра-от, проводимых в чугунолитейном производстве МтП ОАО «АВТОВАЗ» [Текст] / Д. А. Болдырев Литейщик России. - 2010. - №12. - С. 21-26

7. Болдырев, Д. А. Применение смесевых комплексных модификаторов с кальций-юнциевым карбонатом при получении отливок деталей легкового автомобиля из высокопрочного

серого чугунов [Текст] / Д. А. Болдырев, В. А. Чайкин, А. В. Чайкин// Литейщик России. - 2010. -21.-С. 21-26

8. Болдырев, Д. А. Получение стабильной литой структуры ВЧШГ при вторичном графити-рующем модифицировании брикетированными отсевами модификаторов [Текст] / Д. А. Болды-

ев, И. А. Этманов, С. В. Давыдов, М. Ю. Шамов // Литейщик России. - 2009. - №6. - С. 12-17

9. Болдырев, Д. А. «Тяжёлые» лигатуры для получения отливок из высокопрочного чугуна ысоких марок и их особенности [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Заготовительные произ-одства в машиностроении. - 2008. -№10. - С. 13-18

Ю.Болдырев, Д. А. Экономическая целесообразность применения лигатур, содержащих де-ицитный элемент [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Заготовительные производства в ма-иностроении. - 2008. - №9. - С. 12-13

П.Болдырев, Д. А. Внутриформенное модифицирование чугуна с вермикулярным графитом Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Заготовительные производства в машиностроении. -008,-№2.-С. 7-11

12. Болдырев, Д. А. Технология получения чугуна с вермикулярным графитом в отливках при нутриформенном модифицировании сплавами Fe-Si-РЗМ [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // итейщик России. - 2009. - №1. - С. 24-27

13. Болдырев, Д. А. Изготовление деталей шасси автомобиля из ВЧШГ ферритного класса [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Литейщик России. - 2008. - №9. - С. 54-57

14. Болдырев, Д. А. Разработка и внедрение технологии ковшового модифицирования «заливка сверху» для получения отливок из чугуна с компактным графитом низких марок [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Литейщик России. - 2008. - №8. - С. 27-29

15. Болдырев, Д. А. Исследование эффективности высокобаристого ферросилиция на ранней и поздней стадии графитизирующей обработки высокопрочного чугуна [Текст] / Д. А. Болдырев, С.

B. Давыдов, И. В. Рябчиков, Р. Г. Усманов // Литейщик России. - 2008. - №2. - С. 15-23

16. Болдырев, Д. А. Экономическая оценка эффективности внедрения новых модификаторов в чугунолитейном производстве [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов, В. М. Сканцев И Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - №9. - С. 9-16

17. Болдырев, Д. А. Особенности графитизирующего модифицирования серого чугуна смесе-выми модификаторами [Текст] / Д. А. Болдырев, А. В. Чайкин // Литейное производство. - 2007. -№10. -С. 40-43

18.Чайкин, В. А. Особенности графитизирующего модифицирования высокопрочного чугуна смесевыми модификаторами в условиях ОАО «АВТОВАЗ» [Текст] / В. А. Чайкин, Д. А. Болдырев, Н. В. Чайкина // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. - Магнитогорск: МГТУ. - 2007. - Вып. 4. - С. 53-57

19. Болдырев, Д. А. Износостойкость тормозных дисков из чугуна с оптимизированным углеродным эквивалентом [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // Литейщик России. - 2007. - №11. -

C. 9-16

20. Болдырев, Д. А. Особенности графитизирующего модифицирования высокопрочного чугуна смесевыми модификаторами [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. В. Чайкина // Литейщик России. -2007.-№10. -С. 16-18

21. Болдырев, Д. А. Технико-экономический макрокритерий оценки эффективности альтернативного модификатора [Текст] / Д. А. Болдырев // Литейщик России. - 2007. - №6. - С. 21-24

22. Болдырев, Д. А. Новые смесевые модификаторы для инокулирующей обработки чугунов [Текст] / Д. А. Болдырев, А. В. Чайкин // Литейщик России. - 2007. — №3. - С. 32-36

23. Болдырев, Д. А. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугунов [Текст] / Д. А. Болдырев // Литейное производство. - 2006. - №12. - С. 9-13

24. Болдырев, Д. А. Внутриформенное модифицирование высокопрочного чугуна литыми вставками при производстве коленвалов [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина // Литейное производство. - 2006. - №9. - С. 2-3

25. Болдырев, Д. А. О модифицировании серого чугуна для отливок блоков цилиндров [Текст] / Д. А. Болдырев, П. Б. Сафонов // Литейное производство. - 2006. - №8. - С. 5-6

26. Болдырев, Д. А. Внутриформенное модифицирование чугуна магниевым модификатором с лантаном [Текст] / Д. А. Болдырев // Литейное производство. - 2006. — №5. - С. 10-12

27. Болдырев, Д. А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения «тормозной диск -колодка» [Текст] / Д. А. Болдырев // Автомобильная промышленность. - 2006. - №5. - С. 21-22

28. Болдырев, Д. А. Комплекс мероприятий по повышению работоспособности и ресурса тормозных дисков [Текст] / Д. А. Болдырев // Вестник машиностроения. - 2006. - №4. - С. 80-81

29. Болдырев, Д. А. Мероприятия по повышению работоспособности и ресурса тормозных дисков [Текст] / Д. А. Болдырев // Тяжёлое машиностроение. - 2006. - №3. - С. 31

30. Болдырев, Д. А. Ковшовое модифицирование высокопрочного чугуна по технологии «сандвич-процесс» [Текст] / Д. А. Болдырев // Заготовительные производства в машиностроении. -2006. -№1,- С. 3-5

31. Болдырев, Д. А. Изготовление из высокопрочного чугуна деталей автомобиля [Текст] / Д. А. Болдырев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2005. - №10. - С. 3-4

32. Болдырев, Д. А. Высокоуглеродистый низкокремнистый чугун для тормозных дисков [Текст] / Д. А. Болдырев // Литейное производство. - 2005. - №12. - С. 5

33. Крючков, Ю. П. Компакт-процесс сфероидизирующей обработки расплава чугуна магний-содержащим модификатором [Текст] / Ю. П. Крючков, Д. А. Болдырев // Металлург. - 2005. - №9. -С. 45

34. Болдырев, Д. А. Чугун для тормозных дисков с повышенными износо-фрикционными и вибропоглощающими свойствами [Текст] / Д. А. Болдырев // Литейное производство. - 2005. - №5. -С. 12

35. Болдырев, Д. А. Сравнительный анализ и пути уменьшения износа серых перлитных чу-унов [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал, Н. Б. Цалина, М. А. Выбойщик // Тяжёлое машино-троение. - 2003. - №9. - С. 24-27

36. Пат. 2409690 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 37/10. Антифрикционный чугун екст] / Болдырев Д. А., Суслова JI. Г.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное об-ество «АВТОВАЗ». -№2008104254/02; заявл. 04.02.2008; опубл. 20.01.2011, Бюл. №2. -2 с.: ил.

37. Пат. 2394929 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 35/00, С 21 С1/10. Лигатура для моди-ицирования и легирования сплавов [Текст] / Болдырев Д. А., Суслова J1. Г.; заявитель и патенто-бладатель Открытое акционерное общество «АВТОВАЗ». - №2008129861/02; заявл. 18.07.2008' публ. 20.07.2010, Бюл. №20. - 2 е.: ил.

38. Пат. 2436860 Российская Федерация, МПК7 С 22 С 35/00, С 21 С1/00. Лигатура для моди-ицирования и легирования сплавов [Текст] / Криштал М. М., Болдырев Д. А.; заявитель и патенто-^ладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ольяттинский государственный университет». - №2010116938/02; заявл. 28.04.2010; опубл. .12.2011, Бюл. №35. -2 е.: ил. Прочие публикации:

39. Болдырев, Д. А. Изучение комплексного влияния технологических параметров модифици-вания и микролегирования на показатели структуры и свойств чугунов в отливках автомобиле-

оения [Текст] / Д. А. Болдырев // 8-я Всероссийская научно-практическая конференция «Литей-е производство сегодня и завтра»: Сборник трудов. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2010. - С. 1-108

40. Болдырев, Д. А. Особенности формирования литой структуры чугуна при модифицирова-и [Текст] / Д. А. Болдыре в // XVII Международная конференция «Физика прочности и пластично-и материалов»: Сборник тезисов. - Самара: СамГТУ, 2009. - С. 198-199

41. Болдырев, Д. А. Ресурсосберегающие основы модифицирования и микролегирования кон-укционного чугуна в отливках автомобилестроения [Текст] / Д. А. Болдырев, С. В. Давыдов // IX

ъезд литейщиков России: Труды Съезда. - Уфа: ОАО «УМПО», 2009. - С. 18-26

42. Кузнецов, А. А. Разработка и освоение высокоэффективных способов модифицирования уна в условиях ЧЛП ОАО «АВТОВАЗ» [Текст] / А. А. Кузнецов, Ю. П. Крючков, И. В. Арман-

ин, А. В. Стрешнев, М. И. Серапин, О. В. Журавлёва, Д. А. Болдырев // 3-я Международная науч--практическая конференция «Материалы в автомобилестроении»: Сборник материалов - Тольят-г ОАО «АВТОВАЗ», 2008. Ч. 1. - С. 293-297

43. Болдырев, Д. А. Изготовление деталей шасси автомобиля ВАЗ-2116 из ВЧШГ ферритного асса [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина // 3-я Международная научно-практическая конферен-

«Материалы в автомобилестроении»: Сборник материалов. - Тольятти: ОАО «АВТОВАЗ» 08. Ч. I. -С. 298-304

44. Болдырев, Д. А. Повышение эксплуатационных характеристик вентилируемых тормозных сков автомобилей ВАЗ [Текст] / Д. А. Болдырев, А. А. Кузнецов // 3-я Международная научно-актическая конференция «Материалы в автомобилестроении»: Сборник материалов - Тольятти"

0 «АВТОВАЗ», 2008. Ч. 1. - С. 305-309

45. Болдырев, Д. А. Влияние сбалансированности химического состава модификатора для Г на процесс графитообразования [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина, О. В. Журавлёва // 3-я

еждународная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении»: Сборник териалов. - Тольятти: ОАО «АВТОВАЗ», 2008. Ч. 1. - С. 310-319

46. Болдырев, Д. А. Освоение и внедрение технологии модифицирования «заливка сверху» я получения отливок из высокопрочного чугуна низких марок [Текст] / Д. А. Болдырев // IV Межнародная научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии»: Труды нференции. - М.: МИСиС. - 2007. - С. 66-71

47. Болдырев, Д. А. Освоение новых модификаторов и технологий модифицирования для по-чения литых заготовок в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» [Текст] / Д. А. Болды-в // 2-й Литейный консилиум «Теория и практика металлургических процессов при производстве ливок из чёрных сплавов»: Сборник трудов. - Челябинск: ООО «ИЦМ». - 2007. - С. 109-119

48. Болдырев, Д. А. Эффективные методы повышения износостойкости деталей из серого чу-на, работающих в условиях сухого абразивного трения и теплосмен [Текст] / Д. А. Болдырев //

1 Петербургские чтения по прочности, посвященные 75-лстию со дня рождения В. А. Лихачёва: орник тезисов. - Санкт-Петербург. - 2006. - С. 62

49. Болдырев, Д. А. Оптимизация технологических параметров модифицирования серого специального чугуна марки СЧ40 для поршневых колец [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина // II Международная школа «Физическое материаловедение», XVIII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»: Сборник тезисов. - Тольятти: ТГУ. - 2006. - С. 44

50.Болдырев, Д. А. Особенности влияния нормализации на структуру и свойства отливок из чугуна с вермикулярным графитом [Текст] / Д. А. Болдырев И II Международная школа «Физическое материаловедение», XVIII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»: Сборник тезисов. — Тольятти: ТГУ. - 2006. - С. 43

51. Болдырев, Д. А. Влияние марганца и хрома на механические свойства и износостойкость серого чугуна в паре «тормозной диск - колодка» [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал // I Международная школа «Физическое материаловедение»: Сборник тезисов. — Тольятти: ТГУ. — 2004. -С. 7

52. Болдырев, Д. А. Реальный процесс трения в паре «тормозной диск — колодка» [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал // I Международная школа «Физическое материаловедение»: Сборник тезисов. — Тольятти: ТГУ. — 2004. — С. 6

53. Болдырев, Д. А. Влияние серы на износостойкость серого чугуна в паре трения «тормозной диск — колодка» [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал, Н. Б. Цалина // I Международная школа «Физическое материаловедение»: Сборник тезисов. - Тольятти: ТГУ. — 2004. - С. 5

54. Болдырев, Д. А. Повышение износостойкости материала вентилируемых тормозных дисков легковых автомобилей [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал, В. И. Полунин, Н. Б. Цалина // V Научно-практическая конференция молодых специалистов ОАО «АВТОВАЗ» «Технологии настоящего и будущего в ОАО «АВТОВАЗ»: Сборник докладов. - Тольятти: АВТОВАЗ. - 2004. - С. 48-50

55. Болдырев, Д. А. Оптимизация материалов пары трения «тормозной диск — колодка» [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал, В. И. Полунин, Н. Б. Цалина // 2-я Международная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении»: Сборник материалов. — Тольятти: АВТОВАЗ.-2003.-С. 158-164

56.Криштал, М. М. Механизм снижения износостойкости серого чугуна в процессе его эксплуатации в паре трения «тормозной диск - колодка» [Текст] / М. М. Криштал, Д. А. Болдырев, М. А. Выбойщик // XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов»: Сборник тезисов. - Тольятти: ТГУ. - 2003. - Ч. 3. - С. 43—44

57. Болдырев, Д. А. Влияние микролегирующих добавок на износостойкость серого чугуна при работе в паре с фрикционным материалом [Текст] / Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина, М. М. Криштал, М. А. Выбойщик // XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов»: Сборник тезисов. - Тольятти: ТГУ. -2003. -Ч. 3. - С. 42—43

58. Болдырев, Д. А. Повышение износостойкости пары «тормозной диск - колодка» автомобилей ВАЗ: взаимосвязь состава, структуры и эксплуатационных свойств материалов пары трения [Текст] / Д. А. Болдырев, М. М. Криштал, Н. Б. Цалина, М. А. Выбойщик // XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов»: Сборник тезисов. — Тольятти: ТГУ. - 2003.-Ч.З.-С. 41-42

БОЛДЫРЕВ Денис Алексеевич

Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием

АВТОРЕФЕРАТ

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.02

ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (протокол №46 от 23.05.2013 г.). Усл. печ. л. 2,0. _Тираж 120 экз._

ФБГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, главный корпус

Открытое акционерное общество «АВТОВАЗ» Тольяттинский государственный университет

На правах рукописи

05201351560 УДК 620.17: 669.131

БОЛДЫРЕВ Денис Алексеевич

Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: д. ф.-м. н., профессор М. М. Криштал

Самара - 2013

Содержание

Введение................................................................................... 6

1. Особенности формирования структуры и свойств графитизированных конструкционных чугунов.............................................................. 18

1.1. Серые чугуны с пластинчатой формой графита (СЧПГ)............ 18

1.1.1. Влияние модифицирующих элементов на зарождение и

рост пластинчатого графита в чугуне.................................... 18

1.1.2. Микролегирование как метод управления свойствами

СЧПГ через изменение их структурного состояния.................. 28

1.2. Высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита

(ВЧШГ)................................................................................. 39

1.2.1. Технологические методы управления формированием шаровидной формы графита в чугуне....................................... 39

1.2.2. Особенности структурообразования ВЧШГ при внутри-форменном модифицировании............................................. 53

1.2.3. Влияние графитизирующего модифицирования на струк-турообразование ВЧШГ................................................................. 56

1.2.4. Микролегирование как метод управления свойствами ВЧШГ через изменение их структурного состояния................. 58

1.3. Влияние модифицирования и микролегирования на структуру и свойства чугунов с вермикулярной формой графита (ЧВГ)................ 66

2. Опытные материалы и образцы, экспериментальное и аналитическое оборудование, методики исследований.............................................. 72

2.1. Материалы, образцы и требования к ним............................... 72

2.2. Оборудование и методики проведения испытаний................... 80

3. Обеспечение стабильности структуры и свойств чугунов с компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ), получаемых при ковшевом модифицировании «тяжёлыми» и «лёгкими» магниевыми лигатурами...................... 85

3.1. Формирование структуры и свойств ВЧШГ высоких марок с использованием «тяжёлых» магниевых лигатура на никелевой и медной

основах.......................................................................................... 85

3.2. Формирование структуры и свойств ВЧШГ и ЧВГ с использованием «лёгких» магниевых лигатур на ферросилициевой основе......... 101

3.2.1. Исследование влияния мелкосерийной технологии получения ВЧШГ ферритного класса на его структуру и свойства...... 106

3.2.1.1. Создание технологии получения автомобильных отливок из ВЧШГ с высокими пластическими характеристиками......................................................................... 113

3.2.1.2. Апробация технологии получения ВЧШГ с высокими пластическими характеристиками для отливок ответственного назначения............................................................. 116

3.2.1.3. Исследование состава, структуры и свойств ВЧШГ в опытных отливках..................................................... 118

3.2.1.4. Рекомендации по промышленному использованию разработанной технологии для получения отливок ответственного назначения из ВЧШГ и результаты её апробации... 120 3.2.2. Исследование влияния промышленных технологий получения ВЧШГ и ЧВГ низких марок на их структуру и свойства.... 121

3.2.3. Исследование влияния промышленной технологии получения ВЧШГ средних марок на их структуру и свойства........... 136

3.3. Выводы......................................................................... 141

4. Формирование стабильных показателей структуры и свойств чугунов с компактным графитом (ВЧШГ и ЧВГ) при внутриформенном модифицировании «лёгкими» магниевыми лигатурами на ферросилициевой основе.......................................................................................... 144

4.1. Исследование влияния лантана в магниевом модификаторе на морфологию и распределение шаровидного графита в ВЧШГ............. 144

4.2. Стабильное получение вермикулярной формы графита в чугуне «лёгкой» лигатурой со сбалансированным содержанием магния и РЗМ 154

4.3. Получение стабильной литой структуры ЧВГ с использованием

безмагниевой «лёгкой» лигатурой с РЗМ............................................ 162

4.4. Выводы......................................................................... 170

5. Обеспечение стабильности структуры и свойств ВЧШГ графитизи-рующим модифицировованием....................................................... 173

5.1. Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием графитизирующей обработки модификаторами на ферросилициевой основе........................................................................................... 173

5.2. Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием графитизирующего модифицирования ВЧШГ комплексными смесе-

выми модификаторами................................................................. 184

5.3. Формирование структуры и свойств ВЧШГ с использованием технологий вторичного графитизирующего модифицирования ВЧШГ.. 193

5.3.1. Получение ВЧШГ с использованием технологии встречного модифицирования модификатором Glitter........................ 193

5.3.2. Получение ВЧШГ с использованием технологии вторичного графитизирующего модифицирования брикетированными отсевами модификаторов................................................... 201

5.3.3. Получение ВЧШГ с использованием технологии вторичного графитизирующего модифицирования литыми вставками... 208

5.4. Выводы......................................................................... 213

6. Формирование структуры и свойств СЧПГ графитизирующим модифицированием с учётом особенностей его химического состава и конструктивных особенностей получаемых отливок.................................... 218

6.1. Обеспечение стабильного формирования структуры и свойств низкосернистого СЧПГ с использованием технологии ковшевого графитизирующего модифицирования модификаторами на ферросилициевой основе................................................................................................ 218

6.2. Формирование структуры и свойств СЧПГ в крупногабаритных отливках с использованием комплексной технологии графитизирующего модифицирования........................................................................... 224

6.3. Формирование структуры и свойств СЧПГ с различным содержанием серы с использованием технологий ковшевого графитизи-рующей обработки модификаторами на ферросилициевой основе....... 226

6.4. Формирование структуры и свойств СЧПГ с использованием технологий графитизирующего модифицирования комплексными сме-севыми модификаторами и встречного модифицирования.................. 229

6.4.1. Получение СЧПГ с использованием технологии модифицирования комплексными смесевыми модификаторами............ 229

6.4.2. Получение СЧПГ с использованием технологии встречного модифицирования модификатором Glitter........................... 238

6.5. Выводы......................................................................... 243

7. Повышение работоспособности тяжёлонагруженных деталей из СЧПГ за счёт микролегирования и сбалансированности углеродного эквивалента............................................................................................. 245

ч 7.1. Исследование влияния микрободавок серы на структуру и

свойства СЧПГ для тормозных дисков.......................................... 247

7.2. Исследование влияния микролегирующих добавок карбидообразующих элементов на структуру и свойства СЧПГ для тормозных дисков................................................................... 253

7.3. Исследование влияния баланса содержания углерода и кремния в углеродном эквиваленте на структуру и комплекс свойств СЧПГ для тормозных дисков.................................................................... 260

7.4. Выводы......................................................................... 267

8. Заключение............................................................................ 269

Список использованной литературы................................................. 277

Приложения (акты внедрения, патенты, удостоверение на рацпредложение).......................................................................................... 306

ч

Введение

Графитизированные чугуны широко применяются в автомобилестроении для изготовления большой номенклатуры деталей двигателя, шасси и других узлов автомобиля. Однако их качество не всегда удовлетворяет всё возрастающим требованиям в условиях острой конкурентной борьбы в современном мировом автомобилестроении. Производство деталей автомобилестроения из чугуна имеет свою специфику, обусловленную как широкой гаммой выпускаемой номенклатуры различных габаритов, конструктивных особенностей, так и использованием различных марок чугуна. При этом в связи с ростом и ужесточением требований к надежности и ресурсу деталей автомобиля основной проблемой для существующих типов и марок графи-тизированных чугунов является либо их несоответствие требованиям нормативной документации (НД) по структурно-механическим характеристикам, либо, чаще всего, их структурная нестабильность в пределах требуемых нормативных показателей, представленная как дефектами макроструктуры -усадочной пористостью, так и микроструктуры - расслоением распределения графита (флотация, дросс), поверхностным и глубинным отбелом (свободный цементит), формированием междендритных распределений графита (ПГр8, ПГр9), нарушением сфероидальности графита в высокопрочном чугуне, неоднородным распределением вермикулярного графита (особенно в длинномерных деталях), снижением термостабильности перлита, приводящим к нестабильности их свойств. Критерием стабильности структуры и свойств является достижение их требуемых показателей как в пределах одной отливки, так и в отливках одной партии. Поскольку чугуны являются важным литейным конструкционным материалом, технология их получения вносит основной вклад в формирование параметров рациональной структуры и уровня свойств и их стабильности в автомобильных литых деталях. Под рациональной понимается структура, обеспечивающая требуемые свойства при наименьших затратах.

Применение традиционных мероприятий по повышению качества отливок, реализуемых на большинстве предприятий, подразумевает проведение работ, направленных, прежде всего, на получение требуемого НД уровня механических свойств, максимального снижения уровня самых разнообразных дефектов макро- и микроструктуры материала. При этом в ряде случаев отсутствуют требования к получению структуры заданного типа в отливке. В более широком понимании качество отливок все же характеризуется соответствием состава, структуры и свойств материала необходимым нормативным требованиям. В условиях массового производства при изготовлении основной гаммы деталей из чугуна имеет место тенденция к унифицированию марок. Такой подход оправдан ввиду удобства отработки технологии изготовления отливок. Однако в этом случае коэффициент запаса прочности для некоторых деталей будет завышенным, а коэффициент использования материала - заниженным. Возрастание требований к снижению материалоёмкости и затрат при массовом производстве деталей машиностроения также диктует необходимость совершенствования и корректировки понятия «качество чугуна в отливках».

В новых экономических и технологических условиях базовое содержание понятия «качество чугуна в отливках» основывается на получении литой структуры чугуна, обеспечивающей комплекс требуемых механических и эксплуатационных свойств, полученной при стабильном технологическом процессе. При этом необходимо рассматривать устойчивость количественных и качественных показателей структурного и фазового состава литого металла, как в условиях нормируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отливки (химический состав чугуна, модификаторов и лигатур; температура расплава, условия охлаждения, конструктивные параметры отливки, условия ввода модификаторов и др.), так и при более существенных отклонениях в технологии (перемодифицирование расплава, наследственное влияние структуры шихтовых материалов, в том числе некондиционных, повышенный уровень загрязнения и т. д.). Учёт эко-

номических требований предполагает получение регламентируемой НД литой структуры отливок, обеспечивающей необходимые свойства при минимальной себестоимости её получения.

При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надёжности деталей автомобиля обеспечение требуемой литой структуры чугуна может быть обеспечено за счёт использования комплексных технологий модифицирования, микролегирования, термической обработки. Необходимо отметить, что эти технологии избирательны и порой предназначены для получения узкой номенклатуры отливок. Разработка широкой номенклатуры модификаторов, особенности воздействия которых на металл в расплаве в ряде случаев не исследованы, особенно в области структурообразования, и их применение на основе общих рекомендаций чревато серьезными технологическими рисками и финансовыми потерями.

Решение указанной проблемы возможно на основе систематизации и обобщения современных научных теорий формирования структуры и свойств чугунов, основной вклад в создание и развитие которых внесли такие ведущие учёные в области литейного материаловедения: К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран, А. А. Жуков, Н. Г. Гиршович, Г. И. Сильман, С. Н. Леках, В. И. Литовка, И. К. Кульбовский, И. А. Дибров, Н. Н. Александров, Е. В. Ковалевич, Г. М. Кимстач, Д. А. Худокормов, В. М. Колокольцев, К. Н. Вдовин, Л. Я. Козлов, И. В. Рябчиков, Г. А. Косников, В. А. Курганов, Е. Не-хтельбергер, J. Riposan, М. Chisamera, Т. Skaland, Н. Mayer, A. De-Sy, Н. Morrogh, G. N. Gilbert, М. Hillert, Н. Е. Trout, D. R. Kaninski. При этом также использованы экспериментально-промышленные данные, полученные при расширенных производственных испытаниях.

Таким образом, получение требуемой литой структуры графитизиро-ванных чугунов в автомобилестроении, обеспечивающей достижение повышенного уровня стабильности комплекса их механических и специальных свойств, должно основываться на результатах исследования формирования структуры и свойств этих чугунов при их модифицировании и микролегиро-

вании. Использование усовершенствованных на основе полученных результатов существующих и новых универсальных и экономически целесообразных технологий модифицирования и микролегирования, не требует полного технического перевооружения литейных цехов при сохранении существующих базовых технологий выплавки чугуна и формообразования отливок, способствующих, в том числе, снижению себестоимости изготовления как уже освоенной, так и новой продукции, что особенно важно в условиях действующего массового производства.

Ниже приведена диаграмма причинно-следственных связей (диаграмма Исикавы) комплексного влияния рассматриваемых в работе технологических параметров на получение требуемых структуры и свойств графитизирован-ных конструкционных чугунов:

Структура и свойства графитизированных конструкционных чугунов

4

а

н

а> «

а

се Б а> В

В у

Т

5 и о ч о к

И V

н

Модифицирование

а. о н ее В 5

-е-

Ч О

Химический состав

Фракционный состав

а

и

г* И

а'

а с

а

£4

05

Плотность

«

ч

К

н

:=

и :<и

38

3 б

у

а

«

Б и

4 О ■X

ч

а»

Микролегирование

а -

а 2

л а*

ч ь

Н Л

и

Б Ч

К

Н

А

Вй «

Ч Б и о

с.

«

е

№ Б Б

03

аз о Си Б Б" Б -в-Б

4 О

ч

Б

М

Сфероидизирующее

0>

Е

са о а

РЗ

-а

о.

о

-е-

Б

а

н ^

Б «

Графитизирующее

« 3

аа о

а «

0) 4)'

В а н

сз -д

ЕГ ч

« Б

-9-

се

И

а о

■е-

Б

а

н

Б

М

Цель работы:

Повышение качества и стабильности свойств конструкционных чугу-нов с различным типом графита, фазовым составом и структурой металлической основы при обеспечении комплекса требуемых свойств деталей машиностроения за счёт получения рациональной литой структуры путём применения модифицирования и микролегирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать и обобщить современные теоретические и экспериментально-промышленные данные в области структурообразования и формирования свойств конструкционных чугунов при их модифицировании и микролегировании.

2. Установить особенности влияния базовых «тяжёлых» и «лёгких» магниевых лигатур и их разновидностей при микролегировании и ковшевом сфероидизирующем модифицировании на структурообразование и свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).

3. Исследовать влияние редкоземельных металлов (РЗМ) в магниевых модификаторах при различных технологических схемах модифицирования на структурообразование и свойства ВЧШГ и чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ).

4. Изучить влияние на структурообразование и свойства ВЧШГ и серого чугуна с пластинчатым графитом (СЧПГ) различных технологических схем графитизирующей обработки модификаторами разной природы, с учётом стадийности их ввода в расплав и габаритов получаемого литья.

5. Исследовать влияние микролегирования и изменения химического состава СЧПГ и ВЧШГ в тяжёлонагруженных деталях на комплекс их эксплуатационных характеристик.

6. Апробировать и внедрить полученные результаты исследований в условиях массового производства чугунных автомобильных деталей.

Научная новизна:

1. На основе систематизации и обобщения современных научных теори�