автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов и разработка эффективных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

На правах рукописи

Кандидат технических наук АНДРЕЕВ ВАЛЕРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

Особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов и разработка эффективных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств

Специальность 05.16.04. «Литейное производство»

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2012

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов и разработка эффективных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств

Специальность 05.16.04. «Литейное производство»

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Кандидат технических наук АНДРЕЕВ ВАЛЕРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

Москва 2012

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие:

Бех

Николай Иванович Дибров

Иван Андреевич Тэн

Эдис Борисович

Учреждение российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН

Защита состоится « Э » февраля 2012 года на заседании диссертационного совета Д 217.042.01. при ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» С ^Ч? (115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4.)

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4.

Отзыв на диссертацию в виде научного доклада в 2-х экземплярах с подписью составителя и заверенной печатью организации просим направлять в адрес диссертационного совета.

Диссертация в виде научного доклада разослана « 0 »■¿¡ІЇВАрЯ 2012 года

Ученый секретарь диссертационного

совета, канд. техн. наук "— Макарычева Е.В.

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

.4

1. Современное состояние производства отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом............................12

2. Методики исследований...............................................................20

3. Экспериментально-теоретические исследования особенностей формирования литой структуры высокопрочных чугунов........................21

3.1. Влияние продолжительности затвердевания (или толщины стенки отливки) на структуру и прочностные характеристики высокопрочных чугунов.................................................................21

3.2. Влияние углеродного эквивалента и перлитостабилизирующих элементов на формирование металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом....................................................29

3.3. Влияние параметров графитизирующего модифицирования на металлическую основу и получение перлитного чугуна

с вермикулярным графитом................................................................................32

3.4. Механизм формирования литой структуры высокопрочных

чугунов......................................................................................34

4. Исследование литейных, прочностных и специальных (эксплуатационных) свойств чугунов с вермикулярным графитом.................39

4.1. Механические свойства при повышенных температурах........................39

4.2. Износостойкость.......................................................................42

4.3. Демпфирующая способность........................................................47

5. Освоение инновационных технологий промышленного производства отливок из высокопрочных чугунов с повышенными эксплуатационными характеристиками...........................................................................51

5.1. Изготовление из ферритного чугуна с вермикулярным графитом крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки и корпусных деталей мощных дизельных двигателей.................................51

5.2. Производство из перлитного чугуна с вермикулярным графитом втулок цилиндров и цельнолитых поршней дизелей.................................57

5.3. Новая технология изготовления двухслойных вертикальных прокатных валков...........................................................................61

5.4. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных

плит новой конструкции для доменных печей.......................................63

Заключение....................................................................................69

Публикации по теме диссертации в виде научного доклада........................72

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В свете возрастающих требований к конкурентоспособности отечественного машиностроения в развивающейся инновационной экономике проблема повышения технических и эксплуатационных характеристик выпускаемых машин и оборудования является весьма актуальной.

Учитывая, что почти половину деталей машин составляют литые заготовки и около 80% из них приходится на долю чугунных отливок, становится очевидной актуальность и необходимость решения указанной проблемы за счет разработки новых марок чугунов с более высокими физико-механическими свойствами и создания эффективных технологий изготовления отливок с высокими потребительскими характеристиками.

Разработанные в ЦНИИТМАШ высокопрочные чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом по своим техническим характеристикам остаются перспективными конструкционными материалами для широкой номенклатуры ответственных отливок в металлургии и машиностроении.

При этом высокопрочный чугун со своеобразной «вермикулярной» формой графита обладает сочетанием высоких прочностных и теплофизических свойств, которые выдвигают его в число наиболее перспективных конструкционных материалов для литых деталей мощных дизельных двигателей и крупногабаритной металлургической оснастки, работающих в условиях переменных повышенных температур и больших термоциклических и механических нагрузок.

Между тем, известные способы получения такого чугуна не позволяют стабильно получать преимущественно вермикулярную форму графита или требуют особых условий выплавки исходного расплава, методов ввода присадок и тщательного контроля всех операций технологического процесса.

Более надежным и эффективным является разработанный в ЦНИИТМАШ способ обработки исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), обеспечивающий стабильное формирование графита вермикулярной формы и воспроизводимые свойства чугуна. При этом редкоземельные металлы используются в виде комплексных РЗМ-содержащих лигатур, позволяющих снизить стоимость модификатора, повысить степень усвоения редкоземельных элементов, а также обеспечить экологическую безопасность технологического процесса.

Ранее проведенными в ЦНИИТМАШ исследованиями было установлено, что для получения графита вермикулярной формы необходимо иметь в чугуне определенное остаточное содержание РЗМ. При этом прочностные свойства чугунов с вермикулярным графитом зависят от соотношения в структуре количества вермикулярного и шаровидного графита и от остаточного содержания редкоземельных металлов. Требуемое количество РЗМ для обработки исходного чугуна определяется содержанием серы и температурой расплава.

Выявленные зависимости позволили разработать базовую технологию изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) и преимущественно ферритной металлической основой.

Однако остались не решенными такие вопросы, как:

• создание теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов с заданным типом металлической основы;

• выявление зависимости структуры и механических свойств высокопрочных чугунов от продолжительности затвердевания (или толщины стенки) отливки, в том числе в крупнотоннажных литых изделиях;

• исследование влияния параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава на формирование перлитной металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом.

Из-за недостатка данных об эксплуатационных характеристиках ЧВГ существенно ограничивалась область его применения в качестве конструкционного материала для широкой номенклатуры литых изделий. Цель и задачи работы. Комплексные исследования процессов кристаллизации и формирования литой структуры высокопрочных чугунов с целью разработки новых марок чугунов перлитного класса и создания эффективных промышленных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств, работающих при повышенных температурах, в условиях больших динамических и механических нагрузок, а также вибрации, трения и износа.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:

1. Установить зависимость изменения микроструктуры и механических свойств высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом

от продолжительности затвердевания (толщины стенки) отливки, в том

числе в крупнотоннажных литых изделиях.

2. Исследовать условия формирования литой структуры чугунов в зависимости от параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и на этой основе разработать технологию получения перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

3. Определить прочностные свойства при повышенных (300...500°С) температурах и основные эксплуатационные характеристики перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

4. Разработать эффективные технологические процессы изготовления из высокопрочных чугунов крупногабаритной металлургической оснастки (кокили, изложницы, прокатные валки, холодильные плиты) и ответственных деталей мощных (600...6000 л.с.) дизельных двигателей с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях, и показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки структура изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом. При этом в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии "СЬипку"-графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований показано, что в колониях тонкодиференцированной эвтектики мелкие включения графита на поверхности шлифа имеют одинаковую морфологию с графитными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно "С1шпку"-графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При

этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450мм сохраняет достаточно высокую прочность (ов >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. На основе полученных экспериментальных данных и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающая два основных экспериментально установленных положения:

форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава; - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

5. Разработаны параметры легирования и графитизирующего модифицирования исходного расплава, обеспечивающие получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом при повышенных температурах (300...500°С) и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих материалов в металлургии и машиностроении.

7. Результатами эксплуатационных испытаний натурных деталей показано, что высокопрочные чугуны могут быть эффективно использованы:

- для изготовления ряда деталей дизельных двигателей, работающих при повышенных температурах в условиях трения и интенсивного износа, с целью повышения прочностных и эксплуатационных характеристик путем замены широко применяемых низколегированных чугунов с пластинчатым графитом;

- для производства крупногабаритных отливок металлургической оснастки с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая значимость работы:

Выполненные комплексные исследования позволили: 11 Впервые в мировой практике разработать технологию получения чугуна с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой в литом состоянии.

■ Определить литейные, прочностные и основные эксплутационные (износостойкость, демпфирующая способность, термоциклическая стойкость) характеристики чугунов с вермикулярным графитом.

■ Разработать конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом ответственных отливок с высоким уровнем прочностных и служебных характеристик, в том числе:

- крупногабаритных отливок кокильной и металлургической оснастки с повышенной эксплуатационной стойкостью,

- литых деталей мощных (600...6000 л.с.) форсированных дизельных двигателей для транспортных и маневровых тепловозов, большегрузных самосвалов и стационарных дизель-генераторных электростанций.

■ Показать реальную возможность изготовления из чугуна с вермикулярным графитом качественных сложных фасонных отливок массой от нескольких килограммов до десятков тонн.

■ Разработать Государственный стандарт ГОСТ 28394-89 «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки».

Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается: применением комплекса современных методов исследования и анализа чугунов, в том числе электронной микроскопии, рентгенографии и рентгеноскопии в сочетании со специальными методами подготовки и травления образцов;

использованием аттестованной измерительной и испытательной аппаратуры;

- обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики;

согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов, натурных и эксплуатационных испытаний отливок.

На защиту выносятся:

■ Результаты комплексных исследований процессов формирования металлической основы высокопрочных чугунов в литом состоянии в зависимости от углеродного эквивалента, параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и продолжительности затвердевания отливки.

■ Теоретические основы механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

■ Результаты исследований прочностных свойств (статическая, усталостная и длительная прочности) при повышенных (300...500°С) температурах, а также основных эксплутационных характеристик (демпфирующая способность, термоцикличекая стойкость, износостойкость) перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

■ Новые конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и работоспособность машин и оборудования в эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на шести Всесоюзных научных конференциях (1979... 1992 г.г.), на И Всесоюзном научно-техническом съезде литейщиков (Ленинград 1983 г.) и на II (Москва 1995 г.), VII (Новосибирск 2005 г.), V111 (Ростов на Дону 2007 г.) и IX (Уфа 2009 г.) съездах литейщиков России, на межрегиональной научной конференции (5-7 октября 2010 года, г. Набережные Челны) и на научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». (15-16 июня 2011 года г. Екатеринбург).

Публикации.

Основное содержание диссертации в виде научного доклада опубликовано в 74 печатных работах, в том числе в 63 научных статьях и в 11 авторских свидетельствах и патентах. Личный вклад автора заключается:

- в постановке и решении задач, поставленных в данной работе;

- в разработке методик исследований и личном участии в проведении экспериментов;

- в анализе полученных экспериментальных данных и обосновании основных положений научной новизны и практической значимости работы;

- в разработке теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов;

- в личном участии во внедрении разработанных новых технологий при промышленном производстве отливок из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

1. Современное состояние производства отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом

Разработанный в ЦНИИТМАШ еще в 50-тые годы XX века высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ) до сих пор остается уникальным конструкционным материалом, с которым по разнообразию его технического применения не может сравниться ни один железоуглеродистый сплав. Применение ВЧ для деталей различных машин и оборудования все шире распространяется на области, которые раньше были отданы исключительно поковкам и стальному литью. В настоящее время из ВЧ в нашей стране и за рубежом производят отливки самого разного назначения массой от нескольких килограммов до 200 тонн.

Технологические процессы изготовления отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным или вермикулярным графитом включают, как правило, две стадии внепечной обработки исходного расплава: -сфероидизирующую (вермикуляризирующую) обработку, обеспечивающую формирование графита в шаровидной или вермикулярной форме;

- графитизирующее модифицирование (инокулирование), способствующее наиболее полному выделению графита без структурно свободного цементита (ледебурита).

С целью более эффективного воздействия на расплав и получения максимального результата желательно указанные стадии разделять и проводить последовательно. Например, сфероидизирующую обработку

проводить непосредственно в тигле индукционной печи, а графитизирующее модифицирование в разливочном ковше, или в литейной форме (позднее модифицирование).

Однако в ряде случаев за счет использования комплексных модифицирующих композиций в разных вариантах применяемых технологий эти обе стадии совмещают, как при обработке в разливочном ковше, так и непосредственно в литейной форме.

Из ряда известных способов сфероидизирующей обработки исходного жидкого чугуна магнийсодержащими присадками в настоящее время на подавляющем большинстве предприятий, производящих отливки из чугуна с шаровидным графитом, применяются с некоторыми разновидностями следующие три:

• способ обработки в открытом разливочном ковше с размещением модифицирующей присадки на дне ковша в специальной полости, отгороженной огнеупорной перегородкой, известный как «Sandwich-Verfahren» или «сэндвич»-процесс;

• способ обработки присадкой в специальной реакционной камере, размещенной в литниковой системе литейной формы, так называемое «внутриформенное модифицирование», или «Inmold»-npouecc;

• способ обработки в ковше путем введения специальным приспособлением (трайб-аппаратом) полой тонкостенной проволоки, заполненной порошковой модифицирующей присадкой, известный как «трайб»-процесс.

Способы сфероидизирующей обработки исходного жидкого чугуна и применяемые для этой цели модифицирующие композиции для получения шаровидной формы графита постоянно совершенствуются. При этом наряду с совершенствованием методов их ввода в жидкий чугун на эффективность и экономичность сфероидизирующей обработки оказывает существенное влияние гранулометрический состав или размер частиц модификатора.

В ЦНИИТМАШ разработан и успешно применяется на ряде российских и зарубежных предприятий технологический процесс получения чугуна с шаровидным графитом при производстве отливок с применением модифицирующей диспергированной смеси («МДС»-процесс). Это в настоящее время наиболее перспективная технология, которая может быть использована в любом литейном производстве без дополнительных капиталовложений и при соблюдении санитарных норм.

Технология подготовки ковшей для «МДС»-процесса аналогична известному «Сэндвич-процессу». Принципиальное отличие заключается в подготовке модифицирующей присадки требуемого фракционного состава, обеспечивающего удерживание модификатора на дне ковша при заполнении его жидким чугуном силами поверхностного натяжения расплава.

Влияние основных технологических факторов (температуры и массы обрабатываемого чугуна, химического и фракционного состава модификатора) на протекание процесса модифицирования достаточно хорошо изучено, что позволяет управлять процессом с целью получения заданной структуры и свойств высокопрочного чугуна и минимизировать выделение в атмосферу частиц окиси магния.

«МДС»-процесс имеет следующие преимущества в сравнении с существующими методами модифицирования магнийсодержащими лигатурами:

- обеспечивает стабильное получение в чугуне шаровидной формы графита при обработке в обычных разливочных ковшах, в том числе и большой емкости;

- может быть реализован в любом литейном цехе, так как не требует специального оборудования и дополнительной вентиляции;

- обеспечивает спокойное протекание процесса модифицирования без пироэффекта;

- позволяет проводить модифицирование жидкого чугуна в широком интервале температур 1360... 1500°С;

- обеспечивает высокую (85.. .90%) степень усвоения магния;

- выделение в атмосферу окислов магния при модифицировании составляет

0,002... 0,006 мг/л, что ниже предельно допустимых концентраций.

Термин «вермикулярный» ("Wurm - graphit"), т.е. червеобразный графит,

был предложен С.К. Donocho, для обозначения специфической формы графита в чугуне, представляющей собой на поверхности шлифа «округлые, утолщенные и большей частью неразветвленные короткие графитные пластины». По классификации формы графита в высокопрочном чугуне, принятой международной организацией по стандартизации (ISO), червеобразная форма графита обозначена как графит типа III, а по немецкому стандарту A.S.T.M. А-247 как графит типа «Р». В нашей стране эта форма графита в Государственном стандарте ГОСТ 3443 - 87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.» обозначается как «вермикулярный графит», соответствующий эталонам Гф1, Гф2 и ГфЗ (рисунок 1).

Первое время после открытия шаровидного графита в чугуне и пока велись работы по совершенствованию технологий производства высокопрочного чугуна присутствие различных по форме «нешаровидных» включений графита, в том числе и вермикулярного, рассматривалось исследователями лишь как препятствие для получения максимальных показателей механических свойств.

Неполная сфероидизация графита была обусловлена недостаточным количеством сфероидизирующего агента (магния, церия) и присутствием в чугуне избыточного количества примесных элементов, препятствующих сфероидизации графита.

Позже было показано, и подтверждено в настоящей работе, что целенаправленное получение чугуна с вермикулярной формой графита может дать определенные технические преимущества, а сам чугун, обладая благоприятным сочетанием высоких прочностных и теплофизических

свойств, может и должен наити свое место в качестве конструкционного материала для отливок различного назначения.

Г»' > !

Л л ^^

ЧГф1 ВГфЗ ВГфЗ

Рисунок 1- Вермикулярная форма фафита в чугуне (ГОСТ 3443-87). Х!00

Во всех предлагаемых технологиях производства чугуна с вермикулярным графитом используют следующие основные четыре метода или варианта обработки исходного расплава:

I - обработка магнием, как основным широко распространенным и дешевым сфероидизирующим графит элементом, при введении заведомо меньшего его количества, чем необходимо для полной сфероидизации фафита в чугуне;

II - обработка одновременно (или последовательно) магнием и десфероидизирующим фафит элементом (главным образом титаном);

III - сфероидизирующая обработка магнием и по её результатам в зависимости от полученной формы фафита в пробе осуществляется либо добавка десфероидизатора (при получении преимущественно шаровидного

фафита), либо дополнительное введение сфероидизатора (в случае получения преимущественно пластинчатого фафита);

IV - обработка редкоземельными металлами (РЗМ).

Из перечисленных методов первые три обеспечивают получение в чугуне вермикулярной формы графита в очень узких пределах по остаточному содержанию магния 0,015 - 0,025% и требуют особых условий выплавки исходного расплава, специальных методов ввода присадок и тщательного выполнения и контроля всех операций технологического процесса.

При этом получение отливок из чугуна с вермикулярным графитом по И и III вариантам с помощью присадок, содержащих магний и титан, требует решения дополнительной проблемы последующего рационального использования титансодержащего возврата.

Более эффективным во всех отношениях является разработанный в ЦНИИТМАШ способ обработки исходного расплава редкоземельными металлами, обеспечивающим стабильное получение вермикулярной формы графита и воспроизводимых свойств чугуна. При этом редкоземельные металлы используются в составе комплексных РЗМ-содержащих лигатур, позволяющих снизить стоимость модификатора, повысить степень усвоения редкоземельных элементов, а также полностью исключить пироэффект и дымовыделение при обработке жидкого чугуна.

Все вышеперечисленные варианты или методы обеспечивают получение чугуна с вермикулярной формой графита и, как правило, преимущественно ферритной (более 70% феррита) металлической основой.

Механические свойства нелегированных чугунов с вермикулярным графитом (до 30% шаровидного) в литом состоянии имеют следующие значения:

Временное сопротивление разрыву при растяжении - ав, МПа 300 ... 440 Условный предел текучести - О0.2, МПа 250 ... 360

Относительное удлинение - 8 ,% 2 ... 8

Твердость по Бринеллю, НВ 143 ... 220

17

Циклическая (усталостная ) прочность - ст.ь МПа 170 ...210

Ударная вязкость - КС, Дж /см2 (без надреза) 20 ... 30

Вермикулярная форма графита обеспечивает не только повышенные механические свойства чугуна по сравнению со свойствами чугуна с пластинчатым графитом, вследствие меньшего надрезывающего влияния на матрицу, но и изменение физических (теплопроводность) и литейных (линейная и объемная усадка) свойств.

Сопоставление коэффициентов теплопроводности чугунов с различной формой графита схожего по основным элементам химического состава показывает, что теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (50...55 Вт/м-К) выше в 1,6... 1,7 раза, чем у чугуна с шаровидным графитом (29...34 Вт/м-К), и близка к теплопроводности чугуна с пластинчатым графитом (56...60 Вт/м-К).

Для сохранения повышенной теплопроводности и минимальной склонности к образованию усадочных дефектов доля шаровидного графита в структуре чугуна с вермикулярным графитом не должна превышать 30%.

Сочетание высоких показателей механических свойств и повышенной теплопроводности делает особенно перспективным применение чугуна с вермикулярным графитом для отливок, работающих в условиях значительных механических нагрузок и переменных повышенных температур. Это, в первую очередь, детали кокильной и металлургической оснастки, а также детали мощных дизельных двигателей.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом и XXI веке остается уникальным конструкционным материалом, с которым по разнообразию его технического применения не может сравниться ни один железоуглеродистый сплав.

2. Разработан и успешно применяется на российских предприятиях при производстве отливок наиболее экономичный технологический процесс получения чугуна с шаровидным графитом с применением модифицирующей диспергированной смеси - «МДС»-процесс.

3. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом благодаря удачному сочетанию механических, теплофизических и литейных свойств также является перспективным конструкционным материалом для широкой номенклатуры отливок самого различного назначения.

4. Наиболее эффективной технологией, обеспечивающей стабильное получение вермикулярной формы графита и воспроизводимых свойств чугуна, является обработка исходного расплава Ре-БиРЗМ - лигатурами, обеспечивающими высокую степень усвоения активных элементов и экологическую безопасность процесса модифицирования.

5. Кристаллизация графита в вермикулярной форме в нелегированном чугуне, как правило, сопровождается формированием преимущественно ферритной (70...90% феррита) металлической основы.

6. Отсутствуют надежные и систематизированные данные о влиянии продолжительности затвердевания (толщины стенки отливки) на формирование структуры и уровень механических свойств высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

Такие знания необходимы для оценки возможности изготовления из таких чугунов крупнотоннажных толстостенных отливок, например, кузнечных и металлургических изложниц, блоков цилиндров мощных дизелей, опорных рам, станин и шаботов.

7. Не достаточно освещены вопросы технологии получения больших масс модифицированного чугуна для изготовления крупногабаритных деталей из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

8. Отсутствуют сведения о возможности получения чугуна с вермикулярным графитом перлитного класса и промышленного изготовления из такого чугуна отливок, работающих в условиях трения и износа.

9. Из-за недостатка данных об эксплуатационных характеристиках чугунов с вермикулярным графитом существенно ограничивается область их применения в качестве конструкционного материала для широкой номенклатуры изделий.

2. Методики исследований.

Для анализа химического состава и распределения элементов, определения физических, механических, литейных свойств чугунов опытных и промышленных плавок использовали современную аппаратуру и специальное оборудование, имеющееся в ЦНИИТМАШ и в других специализированных организациях.

Контрольные остаточные содержания РЗМ в чугунах определяли в лабораториях институтов ВНИИХТ и ГИРЕДМЕТ, имеющих методики, реагенты и опыт анализа РЗМ в металлах и сплавах.

Теплопроводность чугунов при комнатной и повышенных температурах определяли относительным методом на приборе ЦНИИЧМ (г. Москва).

Исследования термоциклической и длительной прочности проводили в ЦНИДИ (г. Санкт-Петербург).

Антифрикционные и износостойкие свойства перлитного чугуна с вермикулярным графитом определяли в ЦЗЛ Коломенского тепловозостроительного завода и в лабораториях ВНИИЖТ на машинах трения с возвратно-поступательным движением образцов. Исследования по определению коэффициента трения проводили на машине трения МИ-1М по схеме ролик-колодочка.

Демпфирующую способность чугунов оценивали по величине коэффициента затухания (О"1) колебаний при испытании «модульных»

образцов 08x200мм на эластомате при возбуждении напряжений, обеспечивающих соответственно различные начальные амплитуды поперечных колебаний в диапазоне (0,5...6,0)х10"4м.

3. Экспериментально-теоретические исследования особенностей формирования литой структуры высокопрочных чугунов

3.1. Влияние продолжительности затвердевания (толщины стенки) отливки на литую структуру и прочностные характеристики высокопрочных чугунов Для выявления закономерности изменения структуры и механических свойств чугунов с вермикулярным (ЧВГ40) и с шаровидным (ВЧ50) графитом от продолжительности затвердевания отливки из металла одной плавки отливали одновременно пять типов опытных заготовок (таблица 1).

Таблица 1 - Параметры литых проб и опытных заготовок

Параметр U-образные пробы Цилиндрические заготовки, мм

U25 U50 U75 0200 0300

Толщина стенки рабочей части для вырезки образцов, мм 25 50 75 - -

Длина пробы (заготовки), мм 250 300 350 600 900

Масса пробы (заготовки), кг 8 21 55 140 480

Приведенная толщина стенки -К-пв> см 1,24 2,0 2,7 4,3 6,4

Продолжительность затвердевания -т, мин 10 16 45 65 150

Приведенные толщины стенок Rnp заготовок рассчитаны, исходя из их конкретных размеров, как отношение объема к поверхности (V/S) заготовки. Продолжительность затвердевания т определена экспериментально по данным термографического анализа процесса кристаллизации указанных заготовок.

Кроме того, исследовали структуру и механические свойства ЧВГ в экспериментальной отливке блок 600x400x500мм массой 1 тонна и в теле изложницы массой 102 тонны (габариты 03500мм, высота 3240 мм, толщина стенки 350...450 мм) для отливки кузнечных слитков.

Для удобства разделения блока (рисунок 1) на части, пригодные для последующей разрезки на темплеты (1), в форме размещали разделительную кремнеземную сетку (2). Из одной половины затем анодной резкой готовили темплеты для проведения исследований структуры и механических свойств металла по сечению отливки.

Для сопоставления провели исследования изменения структуры и механических свойств металла по сечению стенки отливки плита холодильная из ВЧ50 (масса 3,5 тонны, толщина стенки 450 мм).

Рисунок 1 - Экспериментальная отливка блок из ЧВГ40 (а) и промышленная отливка холодильная плита из ВЧ50.

Анализ структуры ЧВГ40 (рисунок 2) в пробах показал, что по мере увеличения толщины стенки отливки структура изменяется в

направлении укрупнения всех включений графита и уменьшения доли

шаровидного.

—• -':—■—7—

Vi У V Г-V гУ',

Рисунок 2 - Микроструктура ЧВГ40 в пробах (хЮО, травлено) a -U25, б - U50, в -U75, г - 0200, д, е - 0300

При этом в пробе 0300 в центральной части с наименьшей скоростью затвердевания в соответствии с названиями эталонов ГОСТ 3443-85 наряду с обычным вермикулярным графитом извилистой формы ВГф2 (рисунок 2д) формируются колонии междендритного вермикулярного графита ВГр4 (рисунок 2е).

В массивных отливках из чугуна с вермикулярным графитом (блок и изложница) при большой продолжтельности затвердевания в основной части металла (рисунок 3) наблюдаются отдельные крупные включения компактного («вырожденного») шаровидного графита (рисунок За), колонии вермикулярного графита (рисунок 36) и весьма протяженные колонии тонкодиференцированной графитной эвтектики (рисунок 3 в - край и Зг -центр колонии).

При большом увеличении мелкие графитные включения в этих колониях имеют вид обычных включений «червеобразного» или вермикулярного графита (рисунок Зд). В тоже время в крупнотоннажной изложнице по границам первичного литого зерна формируется также и графитная эвтектика в виде небольших изолированных колоний междендритного графита ВГр5 (рисунок Зг). Такая «вырожденная» форма графита среди обычного шаровидного и компактного часто встречается в структуре крупных отливок из магниевого высокопрочного чугуна в зонах с наименьшей скоростью затвердевания расплава. В зарубежной практике такой графит обозначается как «кусковой» или «СЬипку»-графит.

Анализ условий формирования и сравнительные металлографические исследования показали, что колонии тонкодиференцированной эвтектики в чугунах с вермикулярным графитом имеют практически одинаковую морфологию графитных включений на поверхности шлифа, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения.

тту-

Щ; ЩШ

Н

К-,' 14

%

в

' у • N л1 УЛ. '

Г л 1 <?■. ¿..'У

' * » »-'-г.' - ->г.. .Л'.Л

• V-.4 '.V. • '. -С АГ

Рисунок 5 - Микроструктура ЧВГ40 в массивных отливках а, б, в, г-хЮО; д,е-х500

Сильное измельчение включений междендритного и "СЬипку'-графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава.

Результаты определения механических свойств чугунов ЧВГ40 и ВЧ50 в пробах приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Механические свойства чугунов в литых пробах

Тип пробы Механические свойства чугунов в пробах

ЧВГ40 ВЧ50

ов, МПа Д,% нв ов, МПа 5,% НВ

и25 415 3,5 170 575 9,0 183

и50 380 3,4 167 535 10,5 170

Ы75 365 3,2 156 515 8,5 167

0200 340 3,0 149 460 8,0 159

0300 320 3,0 131 425 7,0 143

1125 и50 1175 0200 0300 Литые пробы

Рисунок 4 - Изменение прочности чугунов с увеличением размера проб

В таблице 3 и на рисунке 5 приведены механические свойства чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом по сечению стенок в опытной и промышленных отливках.

Таблица 3 - Механические свойства ЧВГ40 и ВЧ50

Место вырезки образцов Механические свойства

ЧВГ40 ВЧ50

ов, МПа 8,% ов, МПа 8,%

Относительное расстояние от верха отливки по сечению стенки: Опытный «блок» Холодильная плита

0,10 (верх) 320 3,2 460 4,2

0,20 315 3,0 420 3,4

0,35 310 2,4 350 2,5

0,50 310 2,5 345 2,3

0,80 325 3,4 365 4,9

0,90 (низ) 375 4,0 480 6,0

Относительное расстояние от наружной поверхности

Рисунок 5 - Изменение прочности ЧВГ40 по сечению стенки (450мм) крупнотоннажной изложницы

Эти данные показывают, что как в экспериментальном блоке, так и в

крупнотоннажной изложнице из чугуна с вермикулярным графитом,

полученного обработкой расплава редкоземельными металлами, в зонах с

колониями тонкодиференцированной эвтектики (или вермикулярного

27

графита междендритного распределения ВГр4) металл имеет высокую прочность (ов > 300 МПа).

Установленная закономерность позволяет рекомендовать чугун с вермикулярным фафитом взамен чугунов с пластинчатым фафитом для крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения, а также для крупнотоннажных изложниц и кокилей.

В высокопрочном чугуне холодильной плиты получен графит шаровидный компактной ШГфЗ и неправильной ШГф4 формы (рисунок 6а). По мере удаления от поверхности в глубь отливки в структуре чугуна появляется вермикулярный графит (рисунок 66), что вполне естественно для крупных толстостенных отливок из магниевого высокопрочного чугуна. При этом доля вермикулярного графита в центральных зонах стенки отливки составляет от 50 до 70%,

а б

Рисунок 6 - Форма графита в отливке плита холодильная из ВЧ50 (хЮО)

3.2. Влияние углеродного эквивалента и нерлитостабшшзирующих элементов на формирование металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом

Структурные диаграммы (рисунок 7), нелегированных чугунов с вермикулярным графитом иллюстрируют изменения литой структуры металлической основы от содержания кремния и величины углеродного эквивалента (СЕ). Анализ диаграмм показывает, что у чугуна с вермикулярным графитом общепринятого эвтектического и заэвтектического составов (СЕ=4,3...4,6%) в литом состоянии формируется преимущественно ферритная (70...96% феррита) металлическая основа с получением чугунов ферритного класса марок ЧВГ30 и ЧВГ35. Понижение углеродного эквивалента до значений СЕ=4,0% способствует формированию феррито-перлитной металлической основы (40...70% феррита) и получению чугуна марки ЧВГ40.

з.о . ъ,2%с

П

1,6 2.0 2,к а

Рисунок 7 - Влияние кремния (а,б) и углеродного эквивалента (в) на структуру металлической основы нелегированного чугуна с вермикулярным графитом

г & о 60 Ао 20 0

3,5-3.61С

Ф

; » !

г во 60 1*0 го о

1Б

2.0

2,4 2,ь % 5с 5

<р

п I I I п

I I ! | I I

3,7

4.0

4,3 4,6 '/. СЕв

В доэвтектических чугунах (СЕ=3,7...3,8%) формируется, как правило, неоднородная структура металлической основы с цементитом, перлитом и ферритом.

Для получения преимущественно перлитной металлической основы ЧВГ в литом состоянии было принято решение понизить содержание кремния, дополнительно легировать чугун элементами, стабилизирующими аустенит и способствующими при эвтектоидном превращении образованию перлита, и существенно сократить количество вводимого при модифицировании кремния без снижения графитизирующей способности модификатора.

Дополнительное легирование медью (1,2... 1,5%) или микролегирование сурьмой (0,025... 0,075%) как наиболее доступными и сильными перлитообразующими элементами нелегированного чугуна с вермикулярным графитом увеличивают долю перлита в матрице до 75...80% (рисунок 8).

% Ф Ф

но —■ ,

60 УТ Т^ П 1 і П

40 і і ' , її

20 ' ,; і і 1 1

0 1 ■ і

0 0.5 1.0 1.5 0 0,025 0,050 0.075

Присадка меди. % Присадка сурьмы, %

Рисунок 8 - Влияние меди и сурьмы на металлическую основу нелегированного чугуна с вермикулярным графитом

Повышение содержания меди до 2,6% не способствует увеличению количества перлита, но приводит при кристаллизации чугуна к выделению меди в свободном состоянии.

Присадка сурьмы в количестве 0,1% вызывает уже образование пластинчатого графита и соответственно резкое снижение механических свойств чугуна, хотя металлическая основа становится полностью перлитной.

Перлитизирующее влияние на металлическую основу оказывает медь и в чугуне с вермикулярным графитом эвтектического состава (СЕ=4,2...4,4), легированном для повышения стабильности перлита при переменных повышенных температурах никелем (1,0... 1,3%), молибденом (0,25...0,4%) и хромом (0,15...0,45%). При этом оптимальные содержания меди и хрома в таком чугуне, обеспечивающие максимальное количество перлита без структурно свободного цементита, составляет соответственно 0,8... 1,0% и 0,2...0,3% (рисунок 9).

%

80 60 40 20 0

ф Ф

1 --и і п і 1 ' 1 ■ ПІ

ц п /г і ч ' Н" і і ■ І і ; і

—ґ.. 1 і ! І і і — р

_ . г.. п 11 І Ч і 1 | • 1 ■ і . і і

0,5 1,0 1,5 0 0,15 0,30 0.45

% Си % Сг

Рисунок 9 - Влияние меди и хрома на структуру металлической основы низколегированного чугуна с вермикулярным графитом

Таким образом, принятые меры, несмотря на существенное увеличение доли перлита (до 85%), не позволили при модифицировании 75%-ным ферросилицием решить поставленную задачу и получить полностью перлитную структуру ЧВГ в литом состоянии без структурно-свободного цементита.

3.3. Влияние параметров графитизирующего модифицирования на металлическую основу и получение перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

Исследовали эффективность графитизирующего модифицирования низколегированного ЧВГ присадками, позволяющими исключить или вводить минимальное количество кремния, но обладающими высокой графитизирующей способностью. С этой точки зрения перспективными являлись выпускаемые ферросплавной промышленностью алюмобарий (45%Ва), лигатуры Ре-БьРЗМ (~30%РЭМ), проявляющие графитизирующий эффект при введении в чугун в небольших (0,06...0,08%) количествах, а также 75%-ный ферросилиций с 2...3%РЗМ и силикобарий, содержащий в зависимости от марки от 4 до 25%Ва.

Чугуны получали с применением разных вариантов графитизирующего модифицирования (рисунок 10),

100

о. о.

Р ¡5

х х

£ &

0) о £ с 0) а-

о

а:

80

60

40

20

Ш

1 2 3 4 5 6 7

Варианты модифицирования:

1- 0,5%ФС75, 2- 0,5%ФС75(РЗМ), 3- 0,06%ФС30РЗШ0, 4- 0,20%БаА, 5- 0,05%ФС30РЗМ30+0,06%БаА, 6- 0,5%ФСБа4, 7- 0,3%ФСБа22

ш |ф

□ п

Рисунок 10 - Результаты модифицирования низколегированного ЧВГ

Уменьшенная (0,5%) в сравнении с рекомендуемой (0,8...0,9%) присадка ФС75 (вариант 1) менее эффективна и недостаточна для устранения отбела. В результате чего в процессе кристаллизации чугуна формируется перлито-ферритная структура с включениями цементита-ледебурита (5... 10%).

Ферросилиций с 2...3%РЭМ (вариант 2), обладая более высокой графитизирующей способностью, однако также не дает желаемого результата: в структуре чугуна присутствует феррит (до 50%) и остаточный цементит (= 5%).

Присадка лигатуры Ре-5ьРЗМ в количестве 0,06% (вариант 3) не снимает полностью отбел в чугуне, хотя доля перлита за счет резкого сокращения количества вводимого кремния существенно увеличивается, достигая 80% при =10% цементита. С увеличением присадки лигатуры до 0,12% графитизирующий эффект снижается (доля цементита возрастает до 20%) и повышается доля шаровидного графита в ЧВГ.

Эффективным для снятия отбела является алюмобарий. Наример, его присадка 0,2% (вариант 4) полностью устраняет цементит, не вызывая из-за отсутствия кремния выделения большого количества феррита (5... 10%). Наиболее эффективными присадками оказались смесевой модификатор (вариант 5), состоящий из 0,05% лигатуры ФСЗОРЗМЗО и 0,06% алюмобария, и высокопроцентный силикобарий ФСБа22 (вариант 7). При введении этих модификаторов в количестве 0,15...0,3% вводится мало кремния и формируется в чугуне перлитная металлическая основа (менее 5% феррита) без структурно свободного цементита.

Модификатор ФСба22 (20...25%Ва) нового поколения быстро-охлажденный с микрокристаллической структурой производится в настоящее время по ТУ 082-001-72684889-06 фирмой «НПП Технология».

Результаты проведенных исследований позволили впервые в мировой практике разработать надежную технологию получения низколегированного

чугуна с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой в литом состоянии (Авторское свидетельство №829681. Кл.3. С21С 1/08. 15.05.81. Бюл. №18). Новая технология прошла промышленные испытания на ряде российских предприятий и освоена на «Уральском дизельмоторном заводе» при производстве втулок (гильз) цилиндров форсированных дизельных двигателей размерностью 21/21.

3.4. Механизм формирования литой структуры высокопрочных чугунов

На основании результатов исследований и современных представлений о процессах формообразования графита, эвтектической кристаллизации и эвтектоидного превращения в чугунах предложена гипотеза процесса формирования литой структуры чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

В основе механизма формирования литой структуры этих чугунов два экспериментально установленных основных положения:

• форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава;

• тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

Процессы затвердевания и формирования тех или иных фаз в чугунах обычно описываются и иллюстрируются на основе диаграмм фазового равновесия железоуглеродистых сплавов.

Тройная система Ре-С^ сплавов является важнейшей для металлографии чугуна, поскольку все три элемента составляют основу промышленных чугунов.

Для анализа процессов структурообразования конструкционных серых

промышленных чугунов с различной формой графита представляют интерес

вертикальные разрезы диаграммы стабильного равновесия Ре-С-Бьсплавов,

содержащих от 1,5 до 3,0%81. У этих сплавов (таблица 4) область

эвтектического равновесия (1^+А+Г) с увеличением содержания кремния

остается очень узкой (3...5°С), но более значительно меняются

температурные характеристики эвтектоидного равновесия (Фе+А+Г),

оказывающего главное влияние на формирование металлической основы.

Таблица 4. - Температуры начала 0„) и конца 0К) стабильного эвтектического и эвтектоидного превращения Ре-С-Бьсплавов, содержащих 3,5% углерода при различном содержании кремния.

Массовая доля кремния в сплаве, %

Температура превращения, °С 0 1,5 3,0

Эвтектическое превращение (равновесие)

Начало - 1152 1153 1155

конец - 1152 1150 1150

АХ = і„- 1к 0 3 5

Эвтектоидное превращение (равновесие)

Начало -1„ 727 782,5 820

конец - 1к 727 770 805

Д1 = 1„ - ^ 0 12,5 15

Температурный интервал эвтектоидного превращения составляет 12,5... 15°С, а уровень температур начала превращения (распада аустенита) повышается до 780...820°С, что увеличивает при прочих равных условиях склонность чугунов к ферритизации матрицы в период последующего охлаждения затвердевшей отливки в литейной форме.

Вермикулярная форма графита образуется в чугуне, обработанном недостаточным для полной сфероидизации графита количеством модификатора.

В результате такой обработки происходит глубокое очищение расплава от кислорода и серы и существенно возрастает общий уровень межфазного натяжения на границе «расплав-графит». При этом разница значений межфазных натяжений на призменных и базисных гранях графита существенно уменьшается, хотя по абсолютной величине натяжение на призменных гранях, как и у чугуна с пластинчатым графитом, остается больше, чем на базисных (рисунок 11).

о ж-г ■ о ж-т(оо1) □ а ж-т(|1ко)

СЧ1

т

СЧ2 ЧВГ

Тип чугуна

ш ■. ■

шй

|

ВЧ

Рисунок 11 - Связь поверхностных свойств жидкого чугуна с формой кристаллизующегося графита.

Межфазные натяжения на границе: аж„г - расплав-газ, <*ж-т<оо1)- расплав-призменные грани графита, СТж-^ько) - расплав-базисные

грани графита.

При таком соотношении величин межфазных натяжений, с одной

стороны, сохраняются условия для преимущественного роста кристаллов

графита в направлении призменных граней и формирования

36

«пластинообразного» графита, а с другой стороны, благодаря небольшой разнице в абсолютных значениях этих величин происходит значительный рост и в направлении базисных плоскостей, обеспечивая существенное утолщение образующихся графитных ветвей.

В итоге образуются сложные разветвленные графитные агрегаты, состоящие из утолщенных, взаимно переплетающихся в пространстве, изогнутых, переменного сечения ветвей, оканчивающихся полушаровидными образованиями (рисунок 12). На срезе шлифа эти агрегаты видны как колонии «червеобразных» включений графита с округленными концами.

Ь N V V

у

а б

Рисунок 12 - Колония вермикулярного фафита а - на поверхности шлифа, б - пространственная форма

После завершения процесса затвердевания структура чугуна состоит из аустенита и графита различной формы.

При этом аустенит практически однороден по содержанию углерода, но концентрация кремния в нём не равномерная и имеет место значительная ликвация этого элемента,

Данные микроанализа распределения элементов в структурных составляющих металлической основы показали, что в ферритном ЧВГ в центре колоний вермикулярного графита в феррите концентрация кремния выше, чем его концентрация в перлите металлической основы по границам этих графитных колоний. Причем ликвация кремния значительная и разница в концентрации между ферритом и перлитом составляет 0,5...0,6%.

В перлитном ЧВГ в тонких ферритных оторочках вокруг графита концентрация кремния чуть выше, чем в перлите. При этом ликвация кремния значительно меньше и разность в концентрациях между ферритной оторочкой и перлитом составляет только 0,1 ...0,2%.

Неоднородность аустенита по содержанию кремния приводит к тому, что в высокопрочных чугунах в центре колоний вермикулярного графита или вокруг шаровидных включений при эвтектоидном превращении аустенит распадается на феррит и вторичный графит, отлагающийся за счет коротких путей и высокой скорости диффузии на имеющихся включениях графита, а пересыщенный углеродом аустенит на переферии колоний вермикулярного графита или в отдаленных от шаровидного графита участках переохлаждается и за счет метастабильного превращения распадается на феррит и цементит, выделяющихся одновременно в виде перемежающихся тонких пластин, образуя перлит. Эти два эвтектоидных превращения и формируют структуру металлической основы высокопрочных чугунов.

В результате в нелегированных чугунах с вермикулярным графитом, как правило, формируется феррито-перлитная структура металлической основы, а в чугунах с шаровидным графитом структура, так называемого «бычьего глаза», в которой шаровидные включения графита окружены ферритовыми оторочками.

В крупных отливках из чугуна с вермикулярным графитом при затвердевании наряду с обычным вермикулярным графитом образуются

тонкодиференцированные колонии эвтектического графита большой протяженности, в центре которых графитный скелет отличается большой разветвленностью, а на переферии формируются более крупные графитные ветви. В центре этих колонии при эвтектоидном превращении за счет более высокой концентрации кремния также образуется феррит, а у края колонии с утолщенными графитными ветвями формируется перлит, что обусловлено как обеднением аустенита кремнием, так и ликвацией на границы первичного литого зерна карбидостабилизирующих элементов.

4. Исследование литейных, прочностных и специальных (эксплуатационных) свойств чугунов с вермикулярным графитом.

4. ¡.Механические свойства при повышенных температурах Для всесторонней оценки перспективы применения перлитного чугуна с вермикулярным графитом в качестве конструкционного материала для деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей (втулок цилиндров и цельнолитых поршней) провели сравнительные исследования литейных, прочностных и эксплуатационных характеристик новой марки чугуна и традиционно применяемых в дизелестроении чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом (таблица 5).

Механические свойства низколегированных чугунов с пластинчатым СЧ-ХНМГ (0,9%Мп, 0,47%Сг, 1,25%>П, 0,52%Мо), вермикулярным ЧВГ-ХНМД (0,25%Сг, 1,1%№, 0,46%Мо, 0,93%Си) и шаровидным ВЧ-МД (0,58%Мо, 0,36%Си) графитом определены на образцах, вырезанных из опытных и серийных литых заготовок (масса -200 кг, толщина стенки 35...40 мм) втулок цилиндров для дизеля размерностью 23/30.

Таблица 5 - Физико-механические свойства чугунов с различной формой графита

Температура испытаний, С

Тип чугуна и свойства 20 300 400 500

СЧ-ХНМГ

Ств, МПа 370 360 330 275

а.ь МПа 120 - - -

Е,хЮ4МПа 13,2 12,5 12,1 10,4

а,х10'61/°С 13,8 14,3 15,2 14,7

X, Вт/мсК 49,5 42,5 41,0 40,5

ЧВГ-ХНМД

ав, МПа 550 525 490 390

а.ь МПа 177 162 153 122

Е ,х104МПа 17,6 16,3 15,7 15,0

а.хЮ'6 1/°С 14,2 14,7 15,9 15,9

X, Вт/мсК 44,0 37,5 36,5 36,0

ВЧ-МД

Ов, МПа 580 560 510 435

а.|, МПа 162 - - -

Е ,х104МПа 17,7 16,4 15,8 15,2

а,х10'6 1/°С 14,0 14,4 16,9 16,9

X, Вт/мсК 31,0 29,5 29,0 28,5

Перлитный чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ-ХНМД) по прочности, особенно при повышенных температурах, в 1,5 раза превосходит низколегированный чугун (СЧ-ХНМГ) с пластинчатым графитом и лишь немного уступает высокопрочному чугуну (ВЧ-МД) с шаровидным графитом.

ЧВГ-ХНМД в сравнении с СЧ-ХНМГ имеет более высокие (на 30-60%), значения усталостной и длительной прочности в интервале 300...500°С.

При этом перлитный чугун с вермикулярным графитом обладает хорошей жидкотекучестью (рисунок 13) и по сравнению с высокопрочным чугуном (ВЧ-МД) имеет существенно меньшую склонность к образованию усадочных дефектов (рисунок 14). 1200

1100 1000 900 800 700 600 500 400 300

. - 1

- ^^^ ! -♦-ВЧ-МД -Ш-ЧВГ-ХНМД

-А- СЧ-ХНМ Г

1270 1300 1350 Температура, град.

1390

Рисунок 14 -Жидкотекучесть низколегированных чугунов в

сч-хнм" чвг-хнадц вч-адц

Рисунок 15 - Объем усадочной раковины низколегированных чугунов

Эти показатели сохраняют технологические преимущества чугуна с вермикулярным графитом и облегчают изготовление качественных, без усадочных раковин и пористости сложных фасонных отливок.

4.2. Износостойкость

Износостойкость чугунов исследовали применительно к условиям работы втулок цилиндров мощных дизелей. Испытания образцов, вырезанных из опытных (ЧВГ-ХНМД) и серийных (СЧ-ХНМГ) втулок цилиндров, проводили на машине конструкции института ВНИИЖТ.

Были изготовлены подвижные образцы, кривизна, механическая обработка, покрытие и чистота поверхности которых были такими же, как на серийных втулках. Неподвижные образцы готовили из хромированных серийных поршневых колец. Результаты представлены в виде зависимостей износа образцов от времени испытаний (рисунок 15).

О 25 50 75 100

Длительность испытаний, час

60 50

X 40

£ 30 3 20

10 0

0

25

50

75

100

Длительность испытаний, час

Рисунок 15 - Износ втулок (а) и поршневых колец (б)

Износ втулок из ЧВГ-ХНМД за 100 часов составил =5мкм. Практически такой же износ имеют и образцы из серийного СЧ-ХНМГ. Износ поршневых колец в паре с ЧВГ-ХНМД (рисунок 156), как в период приработки, так и в процессе испытаний, оказался значительно меньше, чем у серийного чугуна, что является положительным фактором в эксплуатации.

Для оценки антифрикционных свойств на машине трения МИ-1М по схеме «ролик-колодочка» определяли коэффициент трения чугунов (Г) при различном сочетании трущихся пар: между роликами из ЧВГ-ХНМД и СЧ-ХНМГ и соответственно колодочками из чугуна с шаровидным графитом (ВЧ-МД), имитирующими материал нехромированных (а) и хромированных (б) компрессионных поршневых колец. Результаты исследований обобщены на рисунке 16.

10 15 20 25 30 36 40 Удельное давление, МПа

15 20 25 30 35 Удельное давление, МПа

Рисунок 16 - Зависимость коэффициента трения от удельного давления Величины коэффициентов трения (0 ЧВГ-ХНМД и СЧ-ХНМГ в паре с нехромированными колодочками из ВЧ-ММ при рабочих удельных давлениях (10... 15 МПа) существенно отличаются (рисунок 16а), а при больших удельных давлениях (более 25 МПа) становятся одинаковыми.

Эти зависимости при трении с хромированными колодочками для обоих чугунов (рисунок 166) имеют одинаковый характер и абсолютные величины коэффициентов трения (особенно в рабочем диапазоне удельных давлений) практически не отличаются.

Таким образом, по износостойкости и антифрикционным свойствам перлитный ЧВГ не уступает серийному чугуну с пластинчатым графитом, широко применяемому в качестве материала для цилиндровых втулок большинства дизелей.

При фосфатировании на рабочей поверхности цилиндровой втулки из перлитного ЧВГ образуется хороший маслоёмкий и износостойкий микрорельеф, обеспечивающий необходимую работоспособность детали в эксплуатации..

Применительно к условиям работы деталей боковых опор кузовов тепловозов исследовали износ чугунов в условиях ограниченной смазки и сухого трения (таблица 6).

Таблица 6 - Структура и твердость исследуемых материалов

Марка Материала Стр уктура Твердость поверхности трения

Графит Металлическая основа

СЧ25 Пластинчатый П85 (Ф15) 217 НВ

СЧ-ХНМГ Пластинчатый П(Ф0) 229 НВ

ЧВГ-ХНМД Вермикулярный П85 (Ф15) 255 НВ

ВЧ-МД Шаровидный П96 (Ф4) 269 НВ

Сталь 50Г - Троостит 44...50 HRC

Испытания на износ проводили на специально изготовленной машине трения с возвратно-поступательным движением. Цилиндрические образцы 05x25 мм вытачивали из литых заготовок чугунов.

Одновременно на машине испытывали три образца в паре с плоским образцом из закаленной стали (контртело) размером 120x70x20 мм.

Цилиндрические образцы закреплялись в неподвижной оправке, к которой прилагалась вертикальная нагрузка, а плоский образец крепился на подвижном ползуне с возвратно-поступательным движением.

Нагружали цилиндрические неподвижные образцы удельной нагрузкой 170Н/см2 при испытаниях без смазки (сухое трение) и 227Н/см2 при испытаниях со смазкой солидолом. Скорость перемещения плоского образца изменялась в течение хода в пределах 0...50 мм/с. Длинна хода составляла 45мм.

Износ чугунных образцов оценивался по потере массы, измеренной до и после испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 7.

Таблица 7. - Износ образцов чугунов при 200-часовых испытаниях в условиях сухого трения и трения со смазкой

Марки чугунов Износ образцов чугунов, мг

Сухое трение Со смазкой

СЧ25 17,0 3,0

СЧ-ХНМГ 6,0 1,5

ЧВГ-ХНМД 3,2 0,8

ВЧ-МД 8,0 1,3

Анализ полученных результатов показывает, что даже в условиях трения со смазкой «солидол» (рисунок 17а) предложенная новая марка чугуна имеет преимущество. Износ образцов ЧВГ-ХНМД меньше в 3 раза (0,8 мг) в сравнении с серийным чугуном СЧ25 (3 мг).

3,5 3

и

* 2,5

а

о

П 2

я

ю о и о

1,5

I '

0,5

V: р. >

18

16 14

а 12

|ю

ю о о о

щ

Ш:

К'«

СЧ25 СЧ-ХНМГ ^Г-ХНВД Марки чугунов

вч-адц

СЧ25 сч-хшлг чвг-хнадц Марки чугунов

вч-мц

б

Рисунок 17 - Гистограммы износа образцов чугунов а - трение со смазкой, б - сухое трение В условиях сухого трения (в отсутствии смазки) преимущество низколегированного чугуна с вермикулярным графитом выглядит еще более убедительным.

Износ образцов из ЧВГ-ХНМД (3,5 мг) в 5 раз ниже (рисунок 176), чем у серийного чугуна с пластинчатым графитом (17 мг).

Это обусловлено значительно более высокими прочностными характеристиками и твердостью (255 НВ) ЧВГ-ХНМД в сравнении с этими же характеристиками серийного СЧ25.

При этом достаточно высокий уровень износостойкости показывает низколегированный перлитный чугун с пластинчатым графитом СЧ-ХНМГ за счет полностью перлитной матрицы, повышенной твердости (229 НВ) и наличия сетки фосфидной эвтектики (ФЭрЗ), создающей износостойкий каркас на поверхности трения.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ-МД) показывает в этих условиях низкую износостойкость (8 мг), несмотря на достаточно высокую твердость (269 НВ). Это, по-видимому, связано с большой изолированностью друг от друга в матрице шаровидных включений графита и отсутствием в связи с этим «смазывающего» эффекта графита между трущимися поверхностями.

Таким образом, для повышения эксплуатационной надежности и долговечности боковых опор, работающих как правило в условиях недостатка смазки, рекомендуется использовать пару трения из ЧВГ-ХНМД и закаленной Стали 50Г.

4.3. Демпфирующая способность Металлические детали в ряде машин и механизмов при эксплуатации являются источниками интенсивной вибрации. Поэтому уже на стадии проектирования машины важное значение имеет правильный подбор металлических материалов с хорошей способностью гасить вибрации. При выборе материала руководствуются характеристиками демпфирующей способности, которая характеризует скорость затухания колебаний.

Известно, что наиболее высокой демпфирующей способностью по сравнению со сталью обладает чугун с пластинчатым графитом. Однако из-за низких прочностных характеристик детали из этого чугуна имеют ограниченное применение даже в тех случаях, когда по условиям работы требуется материал с достаточно высокой демпфирующей способностью.

При изготовлении таких деталей из чугуна с шаровидным графитом можно обеспечить необходимый высокий уровень прочностных свойств, однако демпфирующая способность этого чугуна значительно ниже, чем у чугуна с пластинчатым графитом.

Поэтому была поставлена задача исследовать демпфирующую способность чугунов с вермикулярным графитом, выявить возможность получения чугуна с повышенным уровнем прочностных и демпфирующих характеристик и на этой основе расширить область применения ЧВГ.

Исследовали на демпфирующую способность чугуны с пластинчатым (СЧЗО), вермикулярным (ЧВГ35 и ЧВГ-ХНМД) и шаровидным (ВЧ60) графитом.

Результаты испытаний образцов чугунов в литом состоянии (I вариант) и после закалки на мартенсит (II вариант) приведены на рисунке 18.

Из исследованных чугунов в литом состоянии, как и следовало ожидать, наибольшей демпфирующей способностью обладает чугун с пластинчатым графитом (}"' = (8... 14)х10\ а наименьшей чугун с шаровидным графитом С2"|=(2,2...3,8)х103. Чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение (рисунок 18а).

Источниками затухания колебаний в чугуне в амплитуднозависимой области кроме графитных включений и потери на межфазных границах «графит-матрица» являются также микропластические деформации по границам зерен металлической матрицы.

-счзо

-ЧВГ35 -ЧВГ45 -ВЧ60

0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Максимальная амплитуда начальных колебаний, мм

Максимальная амплитуда начальных колебаний, мм

Рисунок 18 - Зависимость коэффициента затухания С?"1 от максимальной амплитуды начальных колебаний чугунов с разной формой графита а - в литом состоянии, б - закалка на мартенсит+отпуск (1 - СЧ30, 2 - ЧВГ35, 3 - ЧВГ-ХНМД, 4 - ВЧ60)

Поэтому провели исследования по возможности увеличения демпфирующей способности чугунов за счет измельчения литого зерна путем различных режимов термической обработки.

Термическая обработка (закал ка+отпуск) существенно изменила структуру металлической основы и характеристики демпфирующей способности исследованных чугунов (рисунок 186). Металлическая основа чугунов после такой термообработки стала полностью мартенситной. По сравнению с литым состоянием существенно повысилась прочность, особенно у нелегированного чугуна с вермикулярным графитом, и демпфирующая способность. Однако резкое повышение этой характеристики наблюдается только у чугуна с пластинчатым графитом СЧЗО (в 1,7 раза) и нелегированного чугуна с вермикулярным графитом ЧВГ35 (в 2,4 раза). При этом ЧВГ35 с мартенситной матрицей по демпфирующей способности практически сравнялся с СЧЗО.

Таким образом, мартенситная структура чугуна с вермикулярным графитом обеспечивает наиболее высокую демпфирующую способность и одновременно заданный высокий уровень прочностных характеристик (ов> 600 МПа).

Оценивая в целом литейные, физико-механические и эксплуатационные характеристики перлитного чугуна с вермикулярным графитом, можно заключить, что из этого чугуна можно производить качественные (без усадочных дефектов) отливки с требуемым уровнем потребительских свойств, обеспечивающих высокую надежность и работоспособность машин и оборудования в эксплуатации.

5. Освоение инновационных технологий промышленного производства отливок из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным

графитом

5.1. Изготовление из ферритного чугуна с вермикулярным графитом крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки и корпусных деталей мощных дизельных двигателей

Технологический процесс получения высокопрочных чугунов включает две основных операции обработки исходного расплава присадками: первая операция - «сфероидизирующая» или «вермикуляризирующая» обработка соответствующими лигатурами и вторая операция - графитизирующее модифицирование для устранения отбела и более полного выделения графита. С целью получения более высокого эффекта от процесса графитизирующего модифицирования эти две операции, оказывающие разное воздействие на расплав, не следует совмещать.

Например, сфероидизирующую обработку лигатурами можно, производить в тигле индукционной печи, а графитизирующее модифицирование в разливочном ковше.

Для получения больших масс (8...25 т) модифицированного чугуна, повышения степени усвоения магния и РЗМ и снижения расхода лигатуры разработали специальную технологию (Патент Би 1399349 А1. С21С 1/06. 30.05.88. Бюл. №20), в которой используется эффект неполного заполнения тигля печи. Такое неполное заполнение тигля (0,5...0,8 ёмкости) при включенной на полную мощность индукционной печи позволяет резко интенсифицировать движение жидкого металла на зеркале ванны за счет изменения характера движения расплава и значительного увеличения высоты мениска, образующегося от воздействия электромагнитных сил. В результате резко (в 3...10 раз) ускоряется растворение подаваемой на зеркало металла присадки и обеспечивается высокая полнота её усвоения.

В условиях Литейного завода ЗАО «Петрозаводскмаш» отливали из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитром изложницы массой 11... 16 тонн для кузнечных слитков (ТУ28-0402-724-86), а также детали крупной кокильной оснастки (рисунок 19), применяя новую технологию обработки и модифицирования исходного расплава.

При изготовлении изложниц из ЧВГ, учитывая глубокое воздействие на исходный расплав и изменение формы графита, допустили использование в шихте 30...50% стального лома, что категорически запрещено при отливке изложниц из СЧИ (серый чугун для изложниц).

Изложницы и кокили из ЧВГ35 имели на 30...50% более высокую эксплуатационную стойкость, чем изложницы из электропечного СЧИ и кокили из серого чугуна СЧ15.

а Б

Рисунок 19 - Изложницы (а) для кузнечных слитков и кокиль (б) для отливки утяжелителей трубопроводов 01420 мм.

С целью продления срока службы металлических форм путем заделки поверхностных трещин, образующихся на ранних стадиях эксплуатации, разработали специальную ремонтную массу на основе чугунной стружки

(Авторское свидетельство №1616764. 1990. Бюл. №48.). Эта пластичная в исходном состоянии масса имеет высокую адгезию и близкие к материалу кокиля теплофизические характеристики.

Несмотря на небольшое увеличения стоимости ЧВГ за счет дополнительных расходов на обработку лигатурой и модифицирование, в целом его применение дает экономический эффект 5...8 тыс. рублей на тонну кокильного литья за счет снижения затрат на оснастку в связи с увеличением в 1,5 раза её эксплуатационной стойкости.

Решая задачу сокращения продолжительности охлаждения в литейной форме отливок крупных (массой до 100 т) изложниц, разработали новую конструкцию литейной формы с регулируемым охлаждением центрального стержня (Авторское свидетельство №1678515. Б.И. №35, 1991). Ускоренное охлаждение изложниц в литейной форме путем интенсификации теплоотвода из центрального стержня позволяет:

- управлять процессом формирования структуры металла отливки,

- сократить (на 30...40%) время охлаждения отливки в литейной форме,

- увеличить производительность формовочно-заливочного участка,

- снизить остаточные напряжения в отливке за счет равномерного отвода тепла от наружных и внутренних стенок,

- уменьшить трудоемкость обрубных работ за счет разупрочнения стержневой смеси и уменьшения пригара на внутренней рабочей поверхности изложницы.

В дизельных двигателях имеется целый ряд чугунных деталей, испытывающих в процессе эксплуатации не только высокие статические, но также динамические и термоциклические нагрузки (крышки и блоки цилиндров, корпуса турбокомпрессоров).

В этих условиях традиционно применяемый чугун с пластинчатым графитом, несмотря на легирование, в ряде случаев уже не может обеспечить

необходимый уровень механических свойств. В этих деталях из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в процессе эксплуатации в условиях наличия градиента температур по толщине стенки и низкой теплопроводности материала возникают и накапливаются опасные термические напряжения и деформации, которые нередко приводят к преждевременному усталостному разрушению деталей. Кроме того, из-за повышенной объемной усадки высокопрочного чугуна трудно, а в ряде случаев практически невозможно, обеспечить отсутствие усадочных дефектов в таких сложных фасонных и мало технологичных отливках, какими являются детали дизельных двигателей.

Для решения проблемы повышения конструкционной прочности и эксплуатационной надежности дизельных двигателей ДМ21, а также дизелей специального назначения, выпускаемых «Уральским дизельмоторным заводом», применили для ряда ответственных деталей новый литейный конструкционный материал - чугун с вермикулярным графитом.

Из чугуна с вермикулярным графитом марки ЧВГ35 взамен серийных чугунов СЧ25 и ЖЧХ1 было организовано производство корпусов турбокомпрессоров, головок и блока цилиндров.

Типичная структура ЧВГ35 в промышленных отливках приведена на рисунке 20. Выборочный плановый контроль данных по химическому составу, структуре и механическим свойствам чугунов промышленных плавок для изготовления отливок, например, «Корпус газовый» из ЧВГ35 показал высокую стабильность новой освоенной технологии, обеспечивающей изготовление качественных без усадочных дефектов отливок с требуемыми структурой и уровнем механических свойств металла, соответствующими техническим требованиям ТУ 24-22-083-2000. Термоциклические испытания этих деталей на экспериментальном стенде и работа на серийных дизелях показали более высокую (в 2,5...3 раза)

эксплуатационную стойкость и конструкционную надежность деталей из ЧВГ при пиковых нагрузках.

Рисунок 20 - Структуры ЧВГ35 в отливках промышленных плавок (хЮО)

В процессе эксплуатации крышек цилиндров из ЧВГ35 (рисунок 21) на дизелях 8ДМ21, установленных на самосвалах «БЕЛАЗ» грузоподъемностью 25 тонн, в условиях Соколовско-Сарбайского ГОКа не было выявлено случаев остановки двигателей для замены чугунных крышек.

Эти крышки отработали нормально до 1-й переборки (8000 моточасов) дизеля и далее до капитального ремонта (23000 мото-часов), в то время как эксплуатационная стойкость серийных алюминиевых крышек цилиндров на дизелях составляет в среднем 4...5 тысяч мото-часов и только отдельные детали выдерживают до первой плановой переборки двигателя.

Для сравнения в таблице 6 приведены химический состав и механические свойства отливок блоков цилиндров из серийного СЧ25 и из

ЧВГ35 для восьми цилиндрового дизеля 8ДМ21 (рисунок 22). Масса отливки

2500 кг, толщина стенок 10...80 мм.

Таблица 6 — Химический состав и механические свойства чугунов для отливки блоков цилиндров дизеля 8ДМ21

Марка чугуна Массовая доля элементов, % Механические свойства

С Мп Р Б ов, МПа 5, % нв

ЧВГ35 3,62 2,43 0,55 0,07 0,019 365 3,5 170

СЧ25 3,15 1,42 0,85 0,08 0,032 270 - 229

Рисунок 23 - Блок 8-ми цилиндрового дизеля 8ДМ21 из ЧВГ35

5.2. Производство втулок цилиндров и цельнолитых поршней из

перлитного чугуна с вермикулярным графитом На основании полученных с участием автора положительных льтатов по отливке и эксплуатационным испытаниям промышленной ии втулок цилиндров из перлитного чугуна с вермикулярным графитом дизеля размерностью 23/30 было решено применить этот чугун взамен олегированного чугуна с пластинчатым графитом (марки ЧНХМД) для ок цилиндров дизелей ДМ21 Уральского дизельмоторного завода.

В условиях этого завода освоили новую технологию отливки заготовок ок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом марки ЧВГ-ХНМД щом центробежного литья на существующем специализированном тке (рисунок 23) во вращающихся разовых песчано-глинистых формах.

Рисунок 23 - Участок центробежного литья втулок цилиндров

Конструкция центробежных машин и параметры технологии центробежного литья втулок из серийного чугуна с пластинчатым графитом были ранее разработаны и внедрены с участием специалистов лаборатории специальных методов литья ЦНИИТМАШ.

Промышленная технология получения вермикулярного графита в чугуне предусматривает обработку исходного расплава в разливочном мерном ковше лигатурой ФСЗОРЗМЗО с последующим графитизирующим модифицированием ФС65Ба22. Масса центробежнолитой заготовки составляет 118... 120 кг.

Исследования структуры чугуна по сечению стенки и длине отливок показали, что в рабочем сечении формируется преимущественно перлитная металлическая основа с вермикулярным графитом (рисунок 24).

Рисунок 24 - Микроструктура рабочего слоя центробежнолитых втулок цилиндров из ЧВГ-ХНМД (хЮО) В тонком наружном слое заготовки (глубиной 3...5 мм) за счет высокой начальной скорости охлаждения первых порций металла образуется больше шаровидного графита (до 30%) и формируется более мелкое литое зерно и

меньших размеров включения графита. Микроструктура внутреннего слоя отливки на глубину припуска на механическую обработку при сохранении соотношения структурных составляющих матрицы характеризуется несколько более высоким содержанием графита, что обусловлено частичной флотацией первичного графита, особенно шаровидного, при кристаллизации

чугуна в поле действия центробежных сил. Чугун в отливках имеет также

высокие прочностные характеристики: Ов =450. ..480 МПа и 241. ..269 НВ.

Безаварийная эксплуатация втулок из ЧВГ-ХНМД (рисунок 25) на дизелях, установленных на большегрузных самосвалах «БЕЛАЗ», подтвердила преимущества нового материала, обеспечивающего повышение конструкционной прочности и увеличение на двигателей до капитального ремонта.

Применение втулок цилиндров из перлитного чугуна с вермикулярным графитом позволило организовать на заводе выпуск форсированных дизелей типа ДМ21ФА с увеличенной в 1,5 раза мощностью на каждый цилиндр.

Рисунок 25 - Центробежнолитая втулка цилиндра из перлитного ЧВГ дизеля ДМ21 —►

В связи с модернизацией и повышением уровня форсировки дизелей

ДМ21 была поставлена задача разработать более совершенную конструкцию

цельнолитого чугунного охлаждаемого поршня из высокопрочной марки

чугуна взамен составного, имеющего стальную (сталь 13X11Н2Г2МГШ)

неохлаждаемую головку и алюминиевый тронк (сплав АК12Д). Новая

конструкция поршня обеспечивала снижение на 20% металлоемкости и

59

30... 50% моторесурса

значительное (в 6 раз) уменьшение трудоемкости изготовления изделия из цельнолитой чугунной заготовки.

На основании результатов сравнительных исследований структуры и механических свойств шести марок высокопрочных чугунов с вермикулярным (ЧВГ45, ЧВГ45Д, ЧВГ-ХНМД) и шаровидным (ВЧ50, ВЧ60, ВЧ-ХНМД) графитом с учетом требуемого уровня прочностных свойств (предела текучести и твердости), склонности чугуна к усадке и отбелу было принято решение изготовить опытную партию цельнолитых поршней из высокопрочного чугуна марки ЧВГ-ХНМД.

Оптимальной технологией с точки зрения качества и свойств металла в отливке является заливка поршня «головкой вниз» в земляную форму с холодильником или в облицованный кокиль. Эти литейные формы обеспечивают направленную кристаллизацию чугуна с необходимой степенью захолаживания места утолщения стенки головки для нарезки канавок под поршневые кольца, а также получение максимальных прочностных характеристик металла в наиболее нагруженных при эксплуатации стенках поршня.

Механическая обработка цельнолитых чугунных заготовок показала, что разработанная технология литья обеспечила заданную конфигурацию, требуемую точность размеров и минимальную массу детали поршня, обеспечивающую существенную экономию топлива в эксплуатации.

Таким образом, проведенный комплекс исследований по разработке и освоению технологий изготовления деталей дизелей из чугунов с вермикулярной формой графита позволил создать реальные предпосылки производства дизельных двигателей с использованием самых современных материалов и инновационных технологий, обеспечивающих высокие технические характеристики, эксплуатационную надежность и конкурентоспособность выпускаемых силовых агрегатов.

5.3. Новая технология изготовления двухслойных вертикальных прокатных валков

Изготовить литые заготовки валков с рабочим слоем из износостойкого чугуна и сердцевины из более прочного и вязкого материала с минимальными издержками позволяет метод центробежного литья.

Эта технология имеет ряд преимуществ, обеспечивающих более высокое качество изделий, а именно:

- получение рабочего слоя из отбеленного износостойкого чугуна требуемой глубины (толщины);

- более равномерное распределение по глубине структурных составляющих и твердости в рабочем слое из отбеленного чугуна;

- возможность изготовления сердцевины из высокопрочных марок чугуна, обладающих высокими показателями усталостной прочности и хорошей обрабатываемостью;

В связи с этим решались следующие основные задачи:

• разработка параметров технологического процесса центробежного литья двухслойных вертикальных валков;

• отливка центробежным способом опытных заготовок, исследование качества, структуры и механических свойств металла в них;

• изготовление валков и их эксплуатационные испытания.

На основе анализа условий эксплуатации вертикальных валков на сортопрокатном стане «450» и данных компьютерного моделирования возникающих в них механических и динамических нагрузок обоснован с учетом современных тенденций выбор марок чугуна для рабочего отбеленного слоя и сердцевины. Это низколегированный чугун с пластинчатым графитом исполнения СПХН (наружный рабочий слой) и чугун с вермикулярным графитом марки ЧВГ35 (внутренний слой).

С использованием метода математического моделирования на основе программы численного расчета TERM разработаны и обоснованы основные параметры (число оборотов формы, режимы заливки, затвердевания и охлаждения отливки) технологии центробежного литья двухслойных вертикальных валков 06ООх 0220x240мм.

Новая технология литья на центробежной машине с вертикальной осью вращения обеспечила изготовление для стана «450» ОАО «ЗСМК» двухслойных заготовок вертикальных валков с твердым (>65...70 HSD) износостойким рабочим слоем и более прочной (ав=350...400МПа) и мягкой (150...200 НВ) сердцевиной (рисунок 26).

>4

Рисунок 26 - Центробежнолитая заготовка валка (а) и валок (б) после механической обработки

Исследования микроструктуры и твердости чугуна по сечению центробежнолитой заготовки и показали, что микроструктура отбеленного слоя толщиной 40...45мм характеризуется мелким и плотным зерном, а твердость чугуна в нем по глубине изменяется в пределах 70...63 НБО. Эти показатели соответствуют требованиям, предъявляемым к прокатным валкам исполнения СПХН.

На основании анализа литейных дефектов центробежнолитых заготовок разработаны меры по их устранению. При этом для уменьшения вероятности

образования на таких отливках недопустимых дефектов (продольных и поперечных трещин) особое внимание необходимо уделять технологическим операциям сборки и окраски литейной формы.

Центробежнолитые валки показали в 1.5...3 раза более высокую эксплуатационную стойкость по сравнению с серийными валками, изготовленными из цилиндрических литых заготовок с отбеленным рабочим слоем, отлитых в стационарных литейных формах. При этом экономический эффект от изготовления валка из центробежнолитой заготовки по сравнению с валком из заготовки, отлитой стационарным методом, составляет 20 тыс. рублей на один валок за счет экономии легирующих элементов и затрат на механическую обработку, без учета повышения эксплуатационных характеристик.

5.4. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит новой конструкции для доменных печей

Одной из причин потери производительности доменных печей являются плановые и внеплановые ремонты, связанные с частичной или полной заменой холодильных плит системы охлаждения.

Водоохлаждаемые доменные холодильники эксплуатируются на доменных печах с 40-х годов прошлого столетия. В начале их отливали из нелегированных ваграночных чугунов с пластинчатым графитом марок СЧ10 и СЧ15 по ГОСТ (1412-85), обеспечивающих эксплуатационную стойкость холодильников до 3 лет. В 60-е годы на основе результатов широкого обследования работы крупных доменных печей СССР для изготовления холодильных плит был рекомендован специалистами ЦНИИТМАШ низколегированный хромом чугун с пластинчатым графитом марки ЧХ1 (ГОСТ 7769-82). Новая марка чугуна и оптимизация технологии литья с применением защитных покрытий на трубах охлаждающих змеевиков позволили увеличить срок службы таких холодильников до 5...7 лет.

Современные мировые тенденции развития и интенсификации доменного производства связаны с существенным продлением безремонтного периода работы доменной печи до 15...20 лет и, за счет этого, совмещением I и II разрядов ремонта. Успешное решение этой задачи связано с повышением эффективности теплоотвода и существенным увеличением срока службы холодильных плит на доменной печи.

В настоящее время в мировой практике и в нашей стране наметились и развиваются тенденции по производству холодильных плит доменных печей из чугуна с шаровидным графитом ферритного класса.

В таблице 7 приведены для сравнения механические свойства чугунов, применяемых и перспективных для изготовления холодильных плит.

Таблица 7 - Механические свойства и теплопроводность чугунов для

холодильных плит

Марка чугуна Механические свойства К Вт/(м°С)

МПа Со,2, МПа а5, % НВ осж, МПа

не менее

ЧХ1 170 - <1 207-286 - 0,48-0,52

ВЧ50 500 320 7 153-240 1400-1600 35,0-0,40

ВЧ45 450 310 10 140-202 1300-1500 37,0-0,42

ЧВГ35 350 260 2 140-190 700-1000 48,0-50,0

Холодильные плиты для доменных печей из высокопрочных чугунов обладают следующими преимуществами перед плитами из чугуна с пластинчатым графитом:

• Повышенная (в 2... 3 раза) прочность металла.

• Высокая коррозионная стойкость в среде отходящих газов, содержащих БОг.

• Стабильность ферритной структуры при повышенных (до 600°С) температурах.

• более высокая термостойкость в условиях воздействия циклических (переменных) повышенных температур.

Для условий литейного цеха ОАО «ЗСМК» разработана и освоена новая экологически безопасная технология изготовления холодильных плит из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В качестве конструкционного материала выбран чугун с шаровидным графитом марки ВЧ50, обеспечивающий непосредственно в теле массивных отливок холодильных плит формирование ферритной металлической основы, как наиболее стабильной при повышенных температурах и исключающей «рост» чугуна и коробление деталей в эксплуатации. При этом внедрен в производство наиболее экономичный и экологически чистый метод получения чугуна с шаровидным графитом - «МДС-процесс», обеспечивающий:

- регулируемое формирование в расплаве пузырьков паров магния оптимального размера, при котором скорость их всплывания обеспечивает полное взаимодействие магния с компонентами чугуна за время нахождения пузырька в расплаве;

- рассредоточение пузырьков магния в расплаве, исключающее при всплывании их сливание в крупные пузыри;

- прохождение процесса сфероидизирующей обработки без пироэффекта и дымовыделения.

С целью оптимизации параметров новой освоенной технологии модифицирования применили в составе дисперсной модифицирующей композиции быстроохлажденные микрокристаллические модификаторы нового поколения Сферомаг 501 (=5%Mg) и Сферомаг 611 (=6%Mg), производимые фирмой «НПП Технология» (г. Челябинск).

Сущность новой технологии изготовления микрокристаллических модификаторов заключается в том, что выплавленный жидкий сплав разливается непрерывно и очень быстро кристаллизуется путем «намораживания» тонкого слоя на вращающихся металлических барабанах. В отличие от общепринятых технологий, резко охлажденные расплавы модификаторов затвердевают в виде тонких пластин («чипсов») толщиной 0,7...3 мм с формированием в них микрокристаллической структуры с однородным фазовым составом и равномерным распределением активных элементов.

Новые микрокристаллические модификаторы в виде «чипсов» в составе модифицирующей смеси позволили повысить степень усвоения магния чугуном до 70...80% и обеспечить высокое остаточное содержание магния (0,06...0,08%) в чугуне, необходимое для выделения графита в шаровидной форме в толстостенных массивных отливках, какими являются холодильные плиты доменных печей.

Для получения качественных толстостенных отливок холодильных плит без установки дополнительных питающих прибылей разработали химический состав высокопрочного чугуна, технологию литейной формы и параметры заливки с учетом использования эффекта предусадочного расширения чугуна при затвердевании для компенсации дефицита жидкого металла и устранения усадочных дефектов. При этом выдерживали следующие основные принципы:

• удержать давление на стенки формы, возникающие при расширении чугуна;

• заливку форм производить при минимальной температуре (1260-1300°С);

• выдерживать углеродный эквивалент чугуна (СЕ) на уровне = 4,3%;

• заливку жидкого металла производить с максимально допустимой скоростью заполнения полости литейной формы.

Для защиты стальных охлаждающих труб змеевиков от науглероживания и сваривания с чугуном применили покрытие (краску) на основе молотого пылевидного кварца.

Первые отлитые опытные плиты (рисунок 27) прошли полный цикл контрольных приемо-сдаточных испытаний и были приняты ОТК комбината.

Рисунок 27 - Холодильная плита новой конструкции из ВЧ50.

Результаты исследований вида литейных дефектов и их распределения по сечению отливки, состояния охлаждающих труб и их контактного взаимодействия с чугуном (рисунок 28), микроструктуры и механических

свойств металла в отливке показали, что разработанная и реализованная в литейном цехе новая технология позволяет получить из высокопрочного чугуна изделия необходимого высокого качества и стабильными геометрическими и прочностными характеристиками, соответствующими требованиям новых общероссийских технических условий «Плиты холодильные доменных печей из чугуна с шаровидным графитом» ТУ 14370-78-2005, разработанных институтами «ЦНИИТМАШ» и «ГИПРОМЕЗ».

Рисунок 28 - Продольный темплет холодильной плиты

В ходе капитального ремонта доменная печь №1 «Западно-Сибирского металлургического комбината» полностью оснащена холодильными плитами новой конструкции, учитывающей в полной мере прочностные и теплотехнические характеристики высокопрочного чугуна из марки ВЧ50 Общая масса холодильных плит из ВЧ, установленных на доменной печи, составила около 750 тонн.

Экономический эффект только от экономии легирующих элементов при замене низколегированного чугуна с пластинчатым графитом на ферритный высокопрочный чугун составил 1,5 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях. При этом показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки микроструктура чугуна изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом, а в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии "СЬипку"-графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований установлено, что в тонкодиференцированной эвтектике мелкие включения графита имеют одинаковую морфологию на поверхности шлифа с вермикулярными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно "СЬипку'-графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450мм сохраняет достаточно высокую прочность (ав >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. Впервые в мировой практике исследованы параметры и разработана технология, обеспечивающая надежное получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

5. На основе результатов исследований и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающего два основных экспериментально установленных положения:

форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава; - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом с повышением температуры в интервале 300...500°С и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких динамических и механических нагрузок, переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих чугунов в металлургии и машиностроении.

7. Созданы, защищены авторскими свидетельствами и патентами и внедрены новые эффективные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов конкурентоспособных отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и долговечность деталей в эксплуатации, в том числе:

- крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки с повышенной в 1,5 раза эксплуатационной стойкостью;

- корпусных отливок и деталей цилиндро-поршневой группы мощных (600...6000 л.с.) дизельных двигателей для маневровых и магистральных тепловозов и большегрузных самосвалов;

- сортовых прокатных валков с отбеленным рабочим слоем с повышенной в 1,5...3,0 раза эксплуатационной стойкостью;

- холодильных плит доменных печей с высокой охлаждающей способностью и сроком службы до 15 лет.

8. Новые технологии полностью отвечают требованиям техники безопасности и промышленной санитарии литейных цехов и обеспечивают экологическую безопасность производства литья.

9. На основании результатов исследований физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов с вермикулярной формой графита разработан Государственный стандарт «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки» ГОСТ 28394-89.

10. Совокупный экономический эффект от внедрения в производство разработанных новых технологий изготовления ответственных отливок из высокопрочных чугунов взамен чугунов с пластинчатым графитом за счет экономии легирующих элементов, повышения надежности и увеличения срока службы изделий в сопоставимых ценах составляет не менее 5 млн. рублей в год.

11. Полученные в работе результаты экспериментальных исследований представляют научный и практический интерес как при создании новых марок чугунов, так и инновационных технологий изготовления чугунных отливок с высоким уровнем потребительских свойств, в том числе крупнотоннажных литых изделий ответственного назначения.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

1. Александров H.H., Мильман Б.С., Ильичева Л.В., Андреев В.В., Моисеев С.Д., Косынкин В.Д., Супруненко В.В. Модифицирование чугуна комплексными лигатурами с РЗМ и иттрием. // Литейное производство. - 1975,-№7.-С. 3-5.

2. Александров H.H.,. Мильман Б.С, Андреев В.В., Ильичева JI.B. Получение, особенности кристаллизации и свойства нового вида высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. / Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления». НИИМАШ. М. - 1975. - Вып. 9.

3.Андреев В.В., Бобылев Ф.К., Глинкин A.C. Ковшевая обработка ваграночного чугуна в процессе продувки металла газами. /Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления», НИИМАШ, 1975, вып. 11, с. 1-3

4. Александров H.H., Мильман Б.С.,Осада Н.Г.,Ильичева Л.В., Андреев В.В. Кристаллизация и строение вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство. - 1975. - №9 - С. 5-6.

5. Александров H.H., Мильман B.C., Андреев В.В., Ильичева Л.В. Получение и свойства высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. - 1976. - №8, - С. 12-14.

6. Александров H.H., Мильман Б.С., Ильичева Л.В., Соленков В. Т., Андреев В.В. Совместное влияние магния, бария и РЗМ на структуру и свойства чугуна.

//Литейное производство. - 1977.- №1.-С. 4-5.

7. Андреев В.В. Чугун с вермикулярным графитом и перспективы его применения. / Труды ЦНИИТМАШ. М.-1977. -№139. - С. 159-165.

8. Александров H.H.,. Милъман Б.С.,Андреев В.В., Ильичева Л.В. Современные способы получения и свойства высокопрочных чугунов. / Сб. «Технология, организация пр-ва и управления». НИИЭинформэнергомаш. М. - 1977. -№37.

9. Александров Н. Н„ Милъман Б. С., Андреев В.В., ИльичеваЛ.В., Лебедев Ю.А., Александров И.И., Королев В.А .Герасимов A.B.. Применение высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом для деталей дизельных двигателей. //Литейное производство.- 1977.-№7.-С. 9-12.

10. Александров H.H., Андреев В.В., Ильичева Л.В., Мильман Б.С. Чугун с вермикулярным графитом. / В кн. Справочник по чугунному литью. J1.: Машиностроение, 1978-С. 79-81.

11 .Андреев В.В., Ильичева Л.В. Чугун с вермикулярным графитом - новый литейный конструкционный материал. //Двигателестроение - 1980-№3. -С. 33-36.

12. Мильман Б.С..Бармыков А.С, Андреев В.В., Ильичева Л.В. Влияние сорбционных явлений в процессе кристаллизации расплава на форму графита, состояние межзеренных границ и пластические свойства чугуна. /Труды ЦНИИТМАШ. М. - 1980. - №160.

13. Андреев В.В., Александров H.H., Мильман Б.С., Ильичева Л.В. Исследование особенностей образования вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство.-! 980-№5 .-С.5-6.

14. Андреев В.В., Ильичева Л.В., Батырев В.А. Распределение иттрия в чугуне с вермикулярным графитом. // Литейное производство.- 1981- №2 - С. 6-7.

15. Андреев В.В., Герасимов A.B., Малышев В.В. Заварка дефектов отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1981- №5-С. 23.

16. Александров H.H., Мильман Б.С., Андреев В.В., Ильичева Л.В., Капустина Л.С. Пути повышения надежности и долговечности чугунных деталей машин и оборудования. / Сб. Повышение прочности отливок в машиностроении. -М.: Наука, 1981.-С. 117-121.

17. Андреев В.В., ИльичеваЛ.В., Александров H.H. Особенности кристаллизации и морфологии графито-аустенитной эвтектики в чугуне с вермикулярным графитом. / В кн. Материалы 2-й всесоюзной научной

конференции «Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа». Днепропетровск.-1982.-С. 122-123.

18. Андреев В.В., Эксанов В.А., Хамбазаров A.M., Бармыков A.C. Применение высокопрочного чугуна в отливках для грузовых автомобилей. // Литейное производство. -1982.-№1.-С. 16-18.

19. Андреев В.В., Хамбазаров A.M. Контроль механических свойств высокопрочного чугуна на литых образцах без механической обработки. // Литейное производство - 1982-№6-С. 14-16

20. Андреев В.В., Ильичева Л.В. Структура и свойства чугуна в толстостенных отливках. //Литейное производство- 1982,-№9- С.10-12.

21. Ильичева Л.В., Андреев В.В., Фролов В.К., Беспалов Н.С. Перлитный чугун с вермикулярным графитом. //Литейное производство,- 1983-№6-С. 5-7.

22. Андреев В.В. Перлитный чугун с вермикулярным графитом - новый материал для деталей цилиндро-поршневой группы дизелей. / Сб. «Тезисы докладов 2-го всесоюзного съезда литейщиков» НИИМАШ. М. -1983. -С. 42-44.

23. Герасимов A.B., Андреев В.В. Циклическая прочность низколегированных чугунов с различной формой графита. // Литейное производство-1983 -№8. -С.31.

24. Андреев В.В., Ильичева Л.В., Платонов В.Н. Длительная прочность и термостойкость чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство.- 1984,-№4-С. 4-5.

25. Андреев В.В., Бармыков A.C. Оценка параметров графита и структурных составляющих матрицы в высокопрочном чугуне. / Труды ЦНИИТМАШ. М. - 1984.-№182.

26. Андреев В.В., Бармыков A.C. Влияние параметров графита и структурных составляющих матрицы на механические свойства высокопрочного чугуна. //Литейное производство - 1984 -№7,-С. 2-4.

27. Андреев В. В., Ильичева Л. В., Герасимов A.B., Фролов В.К.. Технология получения и свойства перлитного чугуна с вермикулярным графитом. /Труды ЦНИИТМАШ,- 1985 -№ 190,-С.42-51.

28. Александров H.H., Андреев В.В., Черепов A.A. Чугун с вермикулярным графитом. / НИИМАШ. М.- 1986.- 52с.

29. Андреев В.В., Александров H.H., Косынкин В.Д., Супруненко В.В. Улучшение качества чугуна лигатурами, содержащими РЗМ. // Литейное производство - 1986-№8-С. 2-5.

30. Александров H.H., Андреев В.В., Ковалевич Е.В., Черепов A.A. Производство крупногабаритных отливок из чугуна.

/ НИИЭинформэнергомаш. М. - 1987.-№3 (6-87-03).- 65с.

31. Андреев В.В. . Особенности структуры и свойств втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом, полученных методом центробежного литья в жидкостекольных формах. / Сб. «Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы», МДНТП. М. - 1990. -С.101-103.

32. Андреев В.В. Свойства втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом. //Литейное производство - 1991-№2-С. 17-18.

33. Беляков А.И.Андреев В.В. Выбор размеров проб для контроля ЧШГ в отливках.// «Литейное производство», - 1998. - №12. - С. 31.

34. Зеленский В.Н., Перепечко Н.Ф., Барохвостова Т.А.., Андреев В.В., Бложко Н.К. Производство отливок ответственного назначения для дизельных двигателей. //Литейное производство.- 1999.-№10-С. 33-34.

35. Андреев В.В. Термообработка низколегированного высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1999-№10.-С. 15-17.

36. Попов А.М., СачекС.М., Сорокина Л.,Д, Андреев В.В. Производство чугунных отливок в металлических формах.// Литейное производство. -2001.-№3.-С. 13-16.

37. Андреев В.В. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом.

/ Машиностроение. Энциклопедия. Том II-2. Стали и чугуны. Гл. 3.4.- М.: Машиностроение, 2001.-С. 583-601.

38. Андреев В.В. Технология и перспективы производства отливок из чугуна с вермикулярным графитом. // Металлургия машиностроения - 2004,- №3-С. 26-33.

39. Андреев В.В. Влияние толщины стенки отливки на прочностные характеристики и микроструктуру высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом. // Литейное производство - 2004. - №2 - С. 2-6.

40. Лубяной Д.А., Макаров Э. С., Коллерова Т.Н., Андреев В.В. Внепечная обработка доменного жидкого чугуна для производства высококачественных отливок.// Литейное производство.-2004.-№10. С.4-5

41. Чичков В.И., Самсонов Ю.Н., Дробышев А.Я. Федоренко Е.М. Андреев В.В. Особенности структуры сортопрокатных валков из чугуна с шаровидным графитом. //«Литейное производство». -2004. - №12. - С. 3-5.

42. Андреев В.В. Условия формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. / Труды VII съезда литейщиков России. Т. I. 23-27 мая 2005 - С.139-142.

43. Андреев В.В. О роли деглобуляризирующих элементов в составе модифицирующих присадок для производства чугуна свермикулярным графитом. // Литейное производство - 2005 - №1.- С. 6-7.

44. Чичков В.И., Соловьев С.А., Самсонов Ю.Н., Требинская В.В., Андреев В.В., Александров H.H. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Литейное производство. - 2005. -№5.-С. 2-3.

45. Лубяной Д.А., Требинская В.В., Самсонов Ю.Н., Коллерова Т.Н., Андреев В.В. Влияние технологии выплавки и внепечной обработки чугуна на эксплуатационную стойкость изложниц для кузнечных слитков. //Заготовительные производства в машиностроении. - 2005 - №8 - С. 3-5.

46. Андреев В.В. Особенности формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. // Литейное производство -2006-№4,-С. 15-17.

47. Андреев В.В., Капустина Л.С. Роль активных элементов в повышении эффективности графитизирующих железо-кремниевых лигатур. //«Литейное производство». -2006. - №4. - С. 18-20.

48. Усманов Р.Г., Рябчиков В.И., Андреев В.В., КапустинаЛ.С. Сравнительные исследования эффективности графитизирующих модификаторов с различным содержанием бария.// Литейное производство-2006-№4. - С. 21-22.

49. Чичков В.И., Соловьев С.А., Самсонов Ю.Н.,Федоренко Е. М., Андреев В.В. Опыт производства холодильных плит для доменных печей из чугуна с шаровидным графитом на Западно-Сибирском металлургическом комбинате.//«Литейщик России». -2006. -№6 - С. 23-25.

50. Андреев В.В., КоряженовД.Н., Портнов Л.В., Чичков В.И. Холодильные плиты из чугуна с шаровидным графитом отечественного производства для доменных печей. //«Металлург». - 2008. - №7- С. 42-45.

51. Андреев В.В. Современные технологии изготовления из чугунов с вермикулярным графитом отливок с высокими эксплуатационными характеристиками.

// «Вестник МГТУ им. Г.И. Носова».- 2008. - №4(24). - С. 14-18. //«Черная металлургия». Бюллетень научно-технической информации. 2008. Вып. 11,(1307), с. 42-46.

52. Королев С.П., Панфилов Э.В., Гуртовой Д.А., Андреев В.В. Способ управления технологическим процессом производства чугуна с вермикулярным графитом. /«Труды IX съезда литейщиков России». Уфа 20-24 апреля 2009 г С. 66-68.

53. Андреев В.В., Ковалевич Е.В. Экологические и экономические аспекты производства из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. -2009. -№3. - С. 96-101.

54. Ковалевич Е.В., Андреев В.В. Управляемый экологически безопасный процесс получения чугуна с шаровидным графитом. // Проблемы черной металлургии и материаловедения - 2009. - №4. -С. 18-22.

55. Андреев В.В., Фролов В.К. Износостойкость перлитного чугуна с вермикулярным графитом в условиях ограниченной смазки и сухого трения. // Литейное производство,- 2009 - №10 - С. 14-16.

56. Андреев В.В., Королев С.П., Панфилов Э.А. Новые эффективные технологии изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. - 2009 - №12 - С. 5-7.

57. Андреев В.В. Формирование литой структуры нелегированных чугунов с вермикулярным графитом. //Литейное производство-2010-№9. - С. 7-14.

58. Андреев В.В. Перлитный чугун с вермикулярным графитом -перспективный конструкционный материал для литых деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей. // «Литейщик России», - 2010. -№12.-С. 29-35.

59. Андреев В.В. Физико-химические основы формирования включений графита в высокопрочных чугунах. //«Вестник МГТУ им. Носова» -2011.-№1- С. 17-26.

60. Андреев В.В. . Новая технология изготовления вертикальных прокатных валков методом центробежного литья. /Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН,2011. С. 493-498.

61. К.В. Григорович, В.В. Андреев, В.Г. Мизин, И.Г. Родионова,

И. В. Рябчиков. Модификаторы нового поколения для повышения потребительских свойств отечественной металлопродукции. // Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 337-341.

62. В.В. Андреев, А.Я. Дынин, И.В. Рябчиков, Р.Г. Усманов, Е.А. Иванчиков. Эффективность графитизирующих модификаторов нового поколения для повышения качества чугунных отливок. / Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН,2011. С. 422-426.

63. Андреев В.В. Особенности технологии изготовления толстостенных двухслойных чугунных заготовок методом центробежного литья на машине с вертикальной осью вращения. //«Литейщик России» -2011. - №8. - С. 12-17.

64. Чугун: A.c. №501109 СССР: М.кл.2 С22С 37/10. -№1977418/22-1; заявл. 20.12.73; опубл. 30.01.76, Бюл. №4.

65. Лигатура : A.c. №573508 СССР: М. Кл.2 С22С 35/00. -№2367234/02; заявл. 26.05.76; опубл. 25.09.77, Бюл. №35.

66. Чугун : A.c. №719158 ССССР: М. Кл.2 С22С 37/10.-№2594419/22-02; заявл. 13.02.78 (непубликуемое).

67. Способ получения легированного чугуна с вермикулярным графитом: A.c. №829681 СССР: М.кл.3 С21С 1/08.-№2458207/22-02; заявл. 07.01.77; опубл. 15.05.81, Бюл. №18.

68. Способ получения высокопрочного чугуна: A.c. №1399349 А1:-№3972199/23-02; заявл. 01.11.85; опубл. 30.05.88, Бюл. №20.

69. Модификатор чугуна: A.c. №1458412 AI:-№4072761/23-02; заявл. 30.05.85; опубл. 15.02.89, Бюл. №6.

70. Состав огнеупорной массы для ремонта изложниц и поддонов к ним: A.c. №1616764 AI. Бюл. №48, 1990.

71. Форма для отливки изложниц: A.c. №1678515. Бюл. №35. 1991.

72. Устройство для отливки слитков: A.c. №1785782. Бюл. №1. 1993.

73. Износостойкий чугун. Патент РФ №2234553. 2004.

74. Литейная форма. Патент РФ №2284245. 2006.

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 5. Тираж 100 экз. Заказ 25.

Отпечатано с готового оригинал-макета 115088, Москва, ул Шарикоподшипниковская, 4

2010294683

2010294683

Введение.

1. Современное состояние производства отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом.

2. Методики исследований.

3. Экспериментально-теоретические исследования особенностей формирования литой структуры высокопрочных чугунов.

3.1. Влияние продолжительности затвердевания (или толщины стенки отливки) на структуру и прочностные характеристики высокопрочных чугунов.

3.2. Влияние углеродного эквивалента и перлитостабилизирующих элементов на формирование металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом.

3.3. Влияние параметров графитизирующего модифицирования на металлическую основу и получение перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

3.4. Механизм формирования литой структуры высокопрочных чугунов.

4. Исследование литейных, прочностных и специальных (эксплуатационных) свойств чугунов с вермикулярным графитом.

4.1. Механические свойства при повышенных температурах.

4.2. Износостойкость.

4.3. Демпфирующая способность.

5. Освоение инновационных технологий промышленного производства отливок из высокопрочных чугунов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

5.1. Изготовление из ферритного чугуна с вермикулярным графитом крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки и корпусных деталей мощных дизельных двигателей.

5.2. Производство из перлитного чугуна с вермикулярным графитом втулок цилиндров и цельнолитых поршней дизелей.

5.3. Новая технология изготовления двухслойных вертикальных прокатных валков.

5.4. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит новой конструкции для доменных печей.

Актуальность проблемы. В свете возрастающих требований к конкурентоспособности отечественного машиностроения в развивающейся инновационной экономике проблема повышения технических и эксплуатационных характеристик выпускаемых машин и оборудования является весьма актуальной.

Учитывая, что почти половину деталей машин составляют литые заготовки и около 80% из них приходится на долю чугунных отливок, становится очевидной актуальность и необходимость решения указанной проблемы за счет разработки новых марок чугунов с более высокими физико-механическими свойствами и создания эффективных технологий изготовления отливок с высокими потребительскими характеристиками.

Разработанные в ЦНИИТМАШ высокопрочные чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом по своим техническим характеристикам остаются перспективными конструкционными материалами для широкой номенклатуры ответственных отливок в металлургии и машиностроении.

При этом высокопрочный чугун со своеобразной «вермикулярной» формой графита обладает сочетанием высоких прочностных и теплофизических свойств, которые выдвигают его в число наиболее перспективных конструкционных материалов для литых деталей мощных дизельных двигателей и крупногабаритной металлургической оснастки, работающих в условиях переменных повышенных температур и больших термоциклических и механических нагрузок.

Между тем, известные способы получения такого чугуна не позволяют стабильно получать преимущественно вермикулярную форму графита или требуют особых условий выплавки исходного расплава, методов ввода присадок и тщательного контроля всех операций технологического процесса.

Более надежным и эффективным является разработанный в ЦНИИТМАШ способ обработки исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), обеспечивающий стабильное формирование графита вермикулярной формы и воспроизводимые свойства чугуна. При этом редкоземельные металлы используются в виде комплексных РЗМ-содержащих лигатур, позволяющих снизить стоимость модификатора, повысить степень усвоения редкоземельных элементов, а также обеспечить экологическую безопасность технологического процесса.

Ранее проведенными в ЦНИИТМАШ исследованиями было установлено, что для получения графита вермикулярной формы необходимо иметь в чугуне определенное остаточное содержание РЗМ. При этом прочностные свойства чугунов с вермикулярным графитом зависят от соотношения в структуре количества вермикулярного и шаровидного графита и от остаточного содержания редкоземельных металлов. Требуемое количество РЗМ для обработки исходного чугуна определяется содержанием серы и температурой расплава.

Выявленные зависимости позволили разработать базовую технологию изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) и преимущественно ферритной металлической основой.

Однако остались не решенными такие вопросы, как:

• создание теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов с заданным типом металлической основы;

• выявление зависимости структуры и механических свойств высокопрочных чугунов от продолжительности затвердевания (или толщины стенки) отливки, в том числе в крупнотоннажных литых изделиях;

• исследование влияния параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава на формирование перлитной металлической основы высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом.

Из-за недостатка данных об эксплуатационных характеристиках ЧВГ существенно ограничивалась область его применения в качестве конструкционного материала для широкой номенклатуры литых изделий. Цель и задачи работы. Комплексные исследования процессов кристаллизации и формирования литой структуры высокопрочных чугунов с целью разработки новых марок чугунов перлитного класса и создания эффективных промышленных технологий изготовления отливок с высокими параметрами эксплуатационных свойств при повышенных температурах, в условиях больших динамических и механических нагрузок, а также вибрации, трения и износа.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:

1. Установить зависимость изменения микроструктуры и механических свойств высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом от продолжительности затвердевания (толщины стенки) отливки, в том числе в тепловых узлах крупнотоннажных литых изделий.

2. Исследовать условия формирования литой структуры чугунов в зависимости от параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и на этой основе разработать технологию получения перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

3. Определить прочностные свойства при повышенных температурах и основные эксплуатационные характеристики перлитного чугуна с вермикулярным графитом.

4. Разработать эффективные технологические процессы изготовления из высокопрочных чугунов крупногабаритной металлургической оснастки (кокили, изложницы, прокатные валки, холодильные плиты) и ответственных деталей мощных (600.6000 л.с.) дизельных двигателей с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях, и показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки структура изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом. При этом в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии "СЬипку"-графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований показано, что в колониях тонкодиференцированной эвтектики мелкие включения графита на поверхности шлифа имеют одинаковую морфологию с графитными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно "СЬипку"-графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450мм сохраняет достаточно высокую прочность (ов >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. На основе полученных экспериментальных данных и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающая два основных экспериментально установленных положения: форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава; - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

5. Разработаны параметры легирования и графитизирующего модифицирования исходного расплава, обеспечивающие получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом при повышенных температурах (300.500°С) и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих материалов в металлургии и машиностроении.

7. Результатами эксплуатационных испытаний натурных деталей показано, что высокопрочные чугуны могут быть эффективно использованы: для изготовления ряда деталей дизельных двигателей, работающих при повышенных температурах в условиях трения и интенсивного износа, с целью повышения прочностных и эксплуатационных характеристик путем замены широко применяемых низколегированных чугунов с пластинчатым графитом;

- для производства крупногабаритных отливок металлургической оснастки с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая значимость работы:

Выполненные комплексные исследования позволили:

Впервые в мировой практике разработать технологию получения чугуна с вермикулярным графитом и перлитной металлической основой в литом состоянии.

Определить литейные, прочностные и основные эксплутационные (износостойкость, демпфирующая способность, термоциклическая стойкость) характеристики чугунов с вермикулярным графитом.

Разработать конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом ответственных отливок с высоким уровнем прочностных и служебных характеристик, в том числе:

- крупногабаритных отливок кокильной и металлургической оснастки с повышенной эксплуатационной стойкостью,

- литых деталей мощных (600.6000 л.с.) форсированных дизельных двигателей для транспортных и маневровых тепловозов, большегрузных самосвалов и стационарных дизель-генераторных электростанций.

Показать реальную возможность изготовления из чугуна с вермикулярным графитом качественных сложных фасонных отливок массой от нескольких килограммов до десятков тонн.

Разработать Государственный стандарт ГОСТ 28394-89 «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки».

Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечивается: применением комплекса современных методов исследования и анализа чугунов, в том числе электронной микроскопии, рентгенографии и рентгеноскопии в сочетании со специальными методами подготовки и травления образцов; использованием аттестованной измерительной и испытательной аппаратуры;

- обработкой экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики; согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов, натурных и эксплуатационных испытаний отливок.

На защиту выносятся:

Результаты комплексных исследований процессов формирования металлической основы высокопрочных чугунов в литом состоянии в зависимости от углеродного эквивалента, параметров легирования и графитизирующего модифицирования расплава и продолжительности затвердевания отливки.

Теоретические основы механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

Результаты исследований прочностных свойств (статическая, усталостная и длительная прочности) при повышенных температурах, а также основных эксплутационных характеристик (демпфирующая способность, термоцикличекая стойкость, износостойкость) перлитного чугуна с вермикулярным графитом. Новые конкретные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и работоспособность машин и оборудования в эксплуатации.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на шести Всесоюзных научных конференциях (1979. 1992 г.г.), на II Всесоюзном научно-техническом съезде литейщиков (Ленинград 1983 г.) и на II (Москва 1995 г.), VII (Новосибирск 2005 г.), VIII (Ростов на Дону 2007 г.) и IX (Уфа 2009 г.) съездах литейщиков России, на межрегиональной научной конференции (5-7 октября 2010 года, г. Набережные Челны) и на научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». (15-16 июня 2011 года г. Екатеринбург).

Публикации.

Основное содержание диссертации в виде научного доклада опубликовано в 74 печатных работах, в том числе в 63 научных статьях и в 11 авторских свидетельствах и патентах. Личный вклад автора заключается:

- в постановке и решении задач, поставленных в данной работе; в разработке методик исследований и личном участии в проведении экспериментов;

- в анализе полученных экспериментальных данных и обосновании основных положений научной новизны и практической значимости работы;

- в разработке теоретических основ формирования литой структуры высокопрочных чугунов;

- в личном участии во внедрении разработанных новых технологий при промышленном производстве отливок из высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

1. Александров H.H., Милъман Б.С., Ильичева Л.В., Андреев В.В., Моисеев С.Д., Косынкин В.Д., Супруненко В.В. Модифицирование чугуна комплексными лигатурами с РЗМ и иттрием. // Литейное производство. - 1975.-№7.-С. 3-5.

2. Александров H.H.,. Милъман Б.С, Андреев В.В., Ильичева JI.B. Получение, особенности кристаллизации и свойства нового вида высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. / Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления». НИИМАШ. М. - 1975. - Вып. 9. b.Андреев В.В., Бобылев Ф.К., Глинкин A.C. Ковшевая обработка ваграночного чугуна в процессе продувки металла газами. /Сб. «Технология пр-ва, научная организация труда и управления», НИИМАШ, 1975, вып. 11, c. 1-3

4. Александров H.H., Милъман Б. С., Осада Н.Г.,Ильичева Л.В., Андреев В.В. Кристаллизация и строение вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство. - 1975. - №9 - С. 5-6.

5. Александров H.H., Милъман Б. С., Андреев В.В., Ильичева JI.B. Получение и свойства высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. - 1976. - №8, - С. 12-14.

6. Александров H.H., Милъман Б. С., Ильичева JI.B., Соленков В.Т., Андреев В.В. Совместное влияние магния, бария и РЗМ на структуру и свойства чугуна. Литейное производство. - 1977. - №1. - С. 4-5.

7. Андреев В.В. Чугун с вермикулярным графитом и перспективы его применения. / Труды ЦНИИТМАШ. М.-1977. - №139. - С. 159-165.

8. Александров H.H.,. Милъман Б.С. ,Андреев В.В., Ильичева JI.B. Современные способы получения и свойства высокопрочных чугунов. / Сб. «Технология, организация пр-ва и управления». НИИЭинформэнергомаш. М. - 1977. - №37.

9. Александров Н. Н., Милъман Б. С., Андреев В.В., Ильичева Л.В., Лебедев Ю.А., Александров ИИ, Королев В.А ,Герасимов A.B. Применение высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом для деталей дизельных двигателей. // Литейное производство - 1977 - №7 - С. 9-12.

10. Александров H.H., Андреев В.В., Ильичева Л.В., Милъман Б.С. Чугун с вермикулярным графитом. / В кн. Справочник по чугунному литью. Л.: Машиностроение, 1978-С. 79-81.

11. Андреев В.В., Ильичева Л.В. Чугун с вермикулярным графитом - новый литейный конструкционный материал. // Двигателестроение - 1980 - №3. -С. 33-36.

12. Милъман Б.С.Бармыков А.С, Андреев В.В., Ильичева Л.В. Влияние сорбционных явлений в процессе кристаллизации расплава на форму графита, состояние межзеренных границ и пластические свойства чугуна. /Труды ЦНИИТМАШ. М. - 1980. - №160.

13. Андреев В.В., Александров H.H., Милъман Б.С., Ильичева Л.В. Исследование особенностей образования вермикулярного графита в чугуне. // Литейное производство-1980 -№5.-С.5-6.

14. Андреев В.В., Ильичева Л.В., Батырев В.А. Распределение иттрия в чугуне с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1981-№2 - С. 6-7.

15. Андреев В.В., Герасимов A.B., Малышев В.В. Заварка дефектов отливок из высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1981- №5-С. 23.

16. Александров H.H., Милъман Б. С., Андреев В.В., Ильичева Л.В., Капустина Л. С. Пути повышения надежности и долговечности чугунных деталей машин и оборудования. / Сб. Повышение прочности отливок в машиностроении. -М.: Наука, 1981.-С. 117-121.

17. Андреев В.В., Ильичева Л.В., Александров H.H. Особенности кристаллизации и морфологии графито-аустенитной эвтектики в чугуне с вермикулярным графитом. / В кн. Материалы 2-й всесоюзной научной конференции «Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа». Днепропетровск.-1982-С. 122-123.

18. Андреев В.В., Эксанов В.А., Хамбазаров A.M., Бармыков A.C. Применение высокопрочного чугуна в отливках для грузовых автомобилей. // Литейное производство. -1982- №1.- С. 16-18.

19. Андреев В.В., Хамбазаров A.M. Контроль механических свойств высокопрочного чугуна на литых образцах без механической обработки. // Литейное производство - 1982-№6-С. 14-16

20. Андреев В.В., Ильичева JI.B. Структура и свойства чугуна в толстостенных отливках. // Литейное производство - 1982 - №9 - С.10-12.

21. Ильичева Л.В., Андреев В.В., Фролов В.К., Беспалов Н. С. Перлитный чугун с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1983-№6.-С. 5-7.

22. Андреев В.В. Перлитный чугун с вермикулярным графитом - новый материал для деталей цилиндро-поршневой группы дизелей. / Сб. «Тезисы докладов 2-го всесоюзного съезда литейщиков» НИИМАШ. М. -1983. -С. 42-44.

23. Герасимов A.B., Андреев В.В. Циклическая прочность низколегированных чугунов с различной формой графита. // Литейное производство-1983 -№8. -С. 31.

24. Андреев В.В., Ильичева Я.В., Платонов В.Н. Длительная прочность и термостойкость чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1984-№4-С. 4-5.

25. Андреев В.В., Бармыков A.C. Оценка параметров графита и структурных составляющих матрицы в высокопрочном чугуне. / Труды ЦНИИТМАШ. М. - 1984.-№182.

26. Андреев В.В., Бармыков A.C. Влияние параметров графита и структурных составляющих матрицы на механические свойства высокопрочного чугуна. // Литейное производство.- 1984.- №7.- С. 2-4.

27. Андреев В.В., Ильичева Л.В., Герасимов A.B., Фролов В.К. Технология получения и свойства перлитного чугуна с вермикулярным графитом. Труды ЦНИИТМАШ,- 1985.- №190.- С.42-51.

28. Александров H.H., Андреев В.В., Черепов A.A. Чугун с вермикулярным графитом. / НИИМАШ. М - 1986.- 52с.

29. Андреев В.В., Александров H.H., Косынкин В.Д., Супруненко В.В. Улучшение качества чугуна лигатурами, содержащими РЗМ. // Литейное производство - 1986-№8 - С. 2-5.

30. Александров H.H., Андреев В.В., Ковалевич Е.В., Черепов A.A. Производство крупногабаритных отливок из чугуна. НИИЭинформэнергомаш. М. - 1987 - №3 (6-87-03).- 65с.

31. Андреев В.В. . Особенности структуры и свойств втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом, полученных методом центробежного литья в жидкостекольных формах. / Сб. «Современные направления повышения качества литых заготовок при литье в песчаные формы», МДНТП. М. - 1990. - С.101-103.

32. Андреев В.В. Свойства втулок цилиндров из чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1991- №2- С. 17-18.

33. Беляков А.И.Андреев В.В. Выбор размеров проб для контроля ЧШГ в отливках.// «Литейное производство», - 1998. - №12. - С. 31.

34. Зеленский В.Н., Перепечко Н.Ф. , Барохвостова Т.А., Андреев В.В., Бложко Н.К. Производство отливок ответственного назначения для дизельных двигателей. // Литейное производство - 1999 - №10 - С. 33-34.

35. Андреев В.В. Термообработка низколегированного высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 1999-№10.-С. 15-17.

36. Попов A.M., Сачек С.М., Сорокина Л.Д, Андреев В.В. Производство чугунных отливок в металлических формах.// Литейное производство. - 2001. - №3. - С. 13-16.

37. Андреев В.В. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом. Машиностроение. Энциклопедия. Том II-2. Стали и чугуны. Гл. 3.4.- М.: Машиностроение, 2001 -С. 583-601.

38. Андреев В.В. Технология и перспективы производства отливок из чугуна с вермикулярным графитом. //Металлургия машиностроения -2004-№3-С. 26-33.

39. Андреев B.B. Влияние толщины стенки отливки на прочностные характеристики и микроструктуру высокопрочных чугунов с вермикулярным и шаровидным графитом. // Литейное производство.- 2004. - №2.- С. 2-6.

40. Лубяной Д. А., Макаров Э. С., Коллерова Т.Н., Андреев В.В. Внепечная обработка доменного жидкого чугуна для производства высококачественных отливок.// Литейное производство-2004- №10. С.4-5

41 .Чичков В.И., Самсонов Ю.Н., Дробышев А.Н. Федоренко Е.М. Андреев В.В. Особенности структуры сортопрокатных валков из чугуна с шаровидным графитом. //«Литейное производство». -2004. - №12. - С. 3-5.

42. Андреев В.В. Условия формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. / Труды VII съезда литейщиков России. Т. I. 23-27 мая 2005 - С.139-142.

43. Андреев В. В. О роли деглобуляризирующих элементов в составе модифицирующих присадок для производства чугуна свермикулярным графитом. // Литейное производство - 2005 - №1- С. 6-7.

44. Чичков В.И., Соловьев С.А., Самсонов Ю.Н., Требинская В.В., Андреев В.В., Александров H.H. Производство из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Литейное производство. - 2005. -№5.-С. 2-3.

45. Лубяной Д. А., Требинская В.В., Самсонов Ю.Н., Коллерова Т.Н., Андреев В.В. Влияние технологии выплавки и внепечной обработки чугуна на эксплуатационную стойкость изложниц для кузнечных слитков. //Заготовительные производства в машиностроении. - 2005 - №8 - С. 3-5.

46. Андреев В.В. Особенности формирования и морфология графито-аустенитных эвтектик в чугунах. // Литейное производство - 2006 - №4- С. 15-17.

47. Андреев В.В., Капустина Л. С. Роль активных элементов в повышении эффективности графитизирующих железо-кремниевых лигатур. //«Литейное производство». -2006. - №4. - С. 18-20.

48. Усманов Р.Г., Рябчиков В.И., Андреев В.В., Капустина Л. С. Сравнительные исследования эффективности графитизирующих модификаторов с различным содержанием бария. // Литейное производство.-2006,-№4.-С. 21-22.

49. Чичков В.И., Соловьев СЛ., Самсонов Ю.Н.,Федоренко Е. М, Андреев В.В. Опыт производства холодильных плит для доменных печей из чугуна с шаровидным графитом на Западно-Сибирском металлургическом комбинате.//«Литейщик России». -2006. - №6 - С. 23-25.

50. Андреев В.В., Коряженов Д.Н., Портнов Л.В., Чичков В.И. Холодильные плиты из чугуна с шаровидным графитом отечественного производства для доменных печей. //«Металлург». - 2008. - №7 - С. 42-45.

51 .Андреев В.В. Современные технологии изготовления из чугунов с вермикулярным графитом отливок с высокими эксплуатационными характеристиками. «Вестник МГТУ им. Г.И. Носова».- 2008. - №4(24). - С. 14-18. //«Черная металлургия». Бюллетень научно-технической информации. 2008. Вып. 11, (1307), с. 42-46.

52. Королев С.П., Панфилов Э.В., Гуртовой Д.А., Андреев В.В. Способ управления технологическим процессом производства чугуна с вермикулярным графитом. /«Труды IX съезда литейщиков России». Уфа 20-24 апреля 2009 г С. 66-68.

53. Андреев В.В., Ковалевич Е.В. Экологические и экономические аспекты производства из чугуна с шаровидным графитом холодильных плит для доменных печей. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. -2009.-№3.-С. 96-101.

54. Ковалевич Е.В., Андреев В.В. Управляемый экологически безопасный процесс получения чугуна с шаровидным графитом. // Проблемы черной металлургии и материаловедения - 2009. - №4. -С. 18-22.

55. Андреев В.В., Фролов В.К. Износостойкость перлитного чугуна с вермикулярным графитом в условиях ограниченной смазки и сухого трения. // Литейное производство - 2009 - №10 - С. 14-16.

56. Андреев В.В., Королев С.П., Панфилов Э.А. Новые эффективные технологии изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом. // Литейное производство. - 2009 - №12 - С. 5-7.

57. Андреев В.В. Формирование литой структуры нелегированных чугунов с вермикулярным графитом. // Литейное производство - 2010 - №9. - С. 7-14.

58. Андреев В.В. Перлитный чугун с вермикулярным графитом -перспективный конструкционный материал для литых деталей цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей. // «Литейщик России», — 2010. — №12.-С. 29-35.

59. Андреев В.В. Физико-химические основы формирования включений графита в высокопрочных чугунах. //«Вестник МГТУ им. Носова» -2011-№1-С. 17-26.

60. Андреев В.В. . Новая технология изготовления вертикальных прокатных валков методом центробежного литья. /Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН,2011. С. 493-498.

61. К.В. Григорович, В.В. Андреев, В.Г. Мизин, ИГ. Родионова, И.В. Рябчиков. Модификаторы нового поколения для повышения потребительских свойств отечественной металлопродукции. // Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. С. 337-341.

62. В.В. Андреев, А.Я. Дынин, И.В. Рябчиков, Р.Г. Усманов, Е.А. Иванчиков. Эффективность графитизирующих модификаторов нового поколения для повышения качества чугунных отливок. / Труды научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Т2. Екатеринбург: УрО РАН,2011. С. 422-426.

63. Андреев В.В. Особенности технологии изготовления толстостенных двухслойных чугунных заготовок методом центробежного литья на машине с вертикальной осью вращения. //«Литейщик России» -2011. - №8. - С. 12-17.

64. Чугун: A.c. №501109 СССР: М.кл.2 С22С 37/10. - №1977418/22-1; заявл. 20.12.73; опубл. 30.01.76, Бюл. №4.

65. Лигатура : A.c. №573508 СССР: М. Кл.2 С22С 35/00. - №2367234/02; заявл. 26.05.76; опубл. 25.09.77, Бюл. №35.

66. Чугун : A.c. №719158 ССССР: М. Кл.2 С22С 37/10.-№2594419/22-02; заявл. 13.02.78 (непубликуемое).

67. Способ получения легированного чугуна с вермикулярным графитом: A.c. №829681 СССР: М.кл.3 С21С 1/08.-№2458207/22-02; заявл. 07.01.77; опубл. 15.05.81, Бюл. №18.

68. Способ получения высокопрочного чугуна: A.c. №1399349 AI :— №3972199/23-02; заявл. 01.11.85; опубл. 30.05.88, Бюл. №20.

69. Модификатор чугуна: A.c. №1458412 AI:- №4072761/23-02; заявл. 30.05.85; опубл. 15.02.89, Бюл. №6.

70. Состав огнеупорной массы для ремонта изложниц и поддонов к ним: A.c. №1616764 AI. Бюл. №48, 1990.

71. Форма для отливки изложниц: A.c. №1678515. Бюл. №35. 1991.

72. Устройство для отливки слитков: A.c. №1785782. Бюл. №1. 1993.

73. Износостойкий чугун. Патент РФ №2234553. 2004.

74. Литейная форма. Патент РФ №2284245. 2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлены закономерности кристаллизации и особенности формирования литой структуры высокопрочных чугунов в зависимости от продолжительности затвердевания отливок, в том числе в толстостенных и крупнотоннажных литых изделиях. При этом показано, что по мере увеличения толщины стенки отливки микроструктура чугуна изменяется в направлении укрупнения включений графита, ухудшения формы шаровидного графита и уменьшения его доли в чугуне с вермикулярным графитом, а в центральных частях массивных отливок с наибольшей продолжительностью затвердевания наряду с отдельными крупными включениями компактного (или «вырожденного») шаровидного и колониями типичного вермикулярного графита извилистой формы (ВГф2) формируются весьма протяженные колонии тонкодиференцированной эвтектики с вермикулярным графитом междендритного распределения (ВГр4), а также изолированные колонии такого графита (ВГр5) или по иностранной терминологии "СЬипку"-графита.

2. Результатами сравнительных металлографических исследований установлено, что в тонкодиференцированной эвтектике мелкие включения графита имеют одинаковую морфологию на поверхности шлифа с вермикулярными включениями типичных колоний вермикулярного графита, но формируются на более поздних этапах затвердевания расплава, отличающихся химическим составом, температурой кристаллизации и степенью переохлаждения. При этом наблюдаемое сильное измельчение включений «междендритного» и особенно "С1шпку"-графита является результатом эвтектической кристаллизации последних переохлажденных микрообъемов расплава, обогащенных за счет ликвации примесными и десфероидирующими графит элементами.

3. Установлены закономерности снижения прочностных свойств высокопрочных чугунов по мере увеличения толщины стенки отливки. При этом чугун с вермикулярным графитом, полученный обработкой исходного расплава редкоземельными металлами (РЗМ), даже в очень крупных отливках с толщиной стенки до 450мм сохраняет достаточно высокую прочность (ав >300 МПа), позволяющую успешно использовать его для изготовления крупных базовых деталей машин и оборудования в различных отраслях машиностроения.

4. Впервые в мировой практике исследованы параметры и разработана технология, обеспечивающая надежное получение перлитной матрицы чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии.

5. На основе результатов исследований и современных представлений о процессах кристаллизации эвтектических сплавов предложена гипотеза механизма формирования литой структуры высокопрочных чугунов, включающего два основных экспериментально установленных положения: форма кристаллизующегося графита при затвердевании чугуна определяется физико-химическими свойствами расплава; - тип металлической основы, при прочих равных условиях, определяется главным образом количеством вводимого кремния при графитизирующем модифицировании и степенью ликвации кремния в аустените.

6. Определены зависимости изменения механических свойств чугунов с вермикулярным графитом с повышением температуры в интервале 300.500°С и эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких динамических и механических нагрузок, переменных температур, вибрации, трения и износа, позволяющие значительно расширить рекомендуемые области применения этих чугунов в металлургии и машиностроении.

7. Созданы, защищены авторскими свидетельствами и патентами и внедрены новые эффективные промышленные технологии производства из высокопрочных чугунов конкурентоспособных отливок различного назначения с высоким уровнем механических и служебных характеристик, обеспечивающих требуемую надежность и долговечность деталей в эксплуатации, в том числе:

- крупногабаритной кокильной и металлургической оснастки с повышенной в 1,5 раза эксплуатационной стойкостью;

- корпусных отливок и деталей цилиндро-поршневой группы мощных (600.6000 л.с.) дизельных двигателей для маневровых и магистральных тепловозов и большегрузных самосвалов;

- сортовых прокатных валков с отбеленным рабочим слоем с повышенной в 1,5.3,0 раза эксплуатационной стойкостью;

- холодильных плит доменных печей с высокой охлаждающей способностью и сроком службы до 15 лет.

8. Новые технологии полностью отвечают требованиям техники безопасности и промышленной санитарии литейных цехов и обеспечивают экологическую безопасность производства литья.

9. На основании результатов исследований физико-механических и эксплуатационных свойств чугунов с вермикулярной формой графита разработан Государственный стандарт «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки» ГОСТ 28394-89.

10. Совокупный экономический эффект от внедрения в производство разработанных новых технологий изготовления ответственных отливок из высокопрочных чугунов взамен чугунов с пластинчатым графитом за счет экономии легирующих элементов, повышения надежности и увеличения срока службы изделий в сопоставимых ценах составляет не менее 5 млн. рублей в год.

11. Полученные в работе результаты экспериментальных исследований представляют научный и практический интерес как при создании новых марок чугунов, так и инновационных технологий изготовления чугунных отливок с высоким уровнем потребительских свойств, в том числе крупнотоннажных литых изделий ответственного назначения.