3.9.2. Особенности получения отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом

Высокопрочные чугуны с шаровидным (ЧШГ) и вермикулярным графитом (ЧВГ) высокие прочностные характеристики сочетают с повышенноными пластическими , технологическими (жидкотеукучесть, свариваемость) и эксплуатационными (хладностойкость, ударостойкость, коррозионная стойкость и др.) свойствами.

Структура. Отличительной особенностью высокопрочных чугунов является наличие в структуре графитных включений шаровидной и вермикулярной формы (См. Раздел 2). Они, как и чугуны СЧ, могут иметь металлическую матрицу, состоящую из феррита, или перлита, или феррити и перлита.

Механические свойства ЧШГ оцениваются по показателям временного сопротивления разрыву (_в) и условного предела прочности (_0,2), а также дополнительно относительного удлинения () и твердости (НВ) (Табл. 3.9.8).

Таблица 3.9.8. Механические свойства ЧШГ (ГОСТ 7293-85)

Марка чугуна	в, МПа	0,2, МПа	, %	НВ
	не менее
ВЧ35	350	220	22	140 - 170
ВЧ40	400	250	15	140 - 202
ВЧ45	450	310	10	170 - 225
ВЧ50	500	320	7	153 - 245
ВЧ60	600	370	3	192 - 277
ВЧ70	700	420	2	228 - 302
ВЧ80	800	480	2	248 - 321
ВЧ100	1000	700	2	270 - 360

В таблице 3.9.8 приведены показатели свойств, полученные при стандартных условиях изготовления образцов и испытаний: изготовление литых заготовок – брусков сечением 25х40 мм или прутков диаметром 25 мм, последующее вытачивание образцов диаметром 14 мм и испытание на растяжение. Механические свойства чугуна в реальных отливках отличаются от приведенных выше, так как, зависят от толщины (Табл. 3.9.10).

Таблица 3.9.10. Влияние толщины стенок на механические свойства ферритного ЧШГ

Состав чугуна, %	Толщина стенки, мм	в, МПа	0,2, МПа
С = 3,44; Si = 3,58; Mn = 0,55; Cr = 0,08; Ni = 0,06; Mg = 0,07. P = 0,08; S = 0,01;	30	485	-
	45	468	365
	60	440	355
	90	428	360
	150	403	357
	300	390	345

Модуль упругости (Е) ЧШГ составляет 160-170 ГПа для чугунов с ферритной матрицей и 170-180 ГПа для чугунов с перлитной матрицей. В чугунах с бейнитной матрицей значение его достигает 100 ГПа.

Демпфирующая способность (_ц) (циклическая вязкость) ЧШГ значительно ниже, чем ЧПГ, но в 2…3 раза выше, чем у конструкционных сталей. Причем, она, выше у чугуна с ферритной металлической матрицей. Демпфирующая способность ЧШГ повышается при увеличении содержания углерода и кремния (до 3,5 %), но снижается при повышении содержания марганца. Чугун со структурой зернистого перлита по сравнению с пластинчатым имеет на 20…30 % большую демпфирующую способность. Отжиг снижает показатель _ц.

Ударная вязкость (КС) – один из важнейших критериев оценки пластичности ЧШГ.

При испытаниях на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 определяют ударную вязкость образцов без надреза KC и с надрезом KCU (Табл. 3.9.11). Наиболее высокие значения КС и KCU имеют ферритные марки ЧШГ (ВЧ35, ВЧ40), наиболее низкие – перлитные (ВЧ70, ВЧ80).

Таблица 3.9.11. Ориентировочные значения ударной вязкости стандартных марок чугуна

Марка чугуна	КДж/м2 при 20 оС				Марка чугуна	КДж/м2 при 20 оС
	KC	KCU				KC	KCU
ВЧ35	800 -1500		170 -250		ВЧ60	100 - 300	-
ВЧ40	300 - 800		100 - 150		ВЧ70	100 - 250	-
ВЧ50	300 - 500		30 - 100		ВЧ100	-	100 - 150

Ударная вязкость бейнитных ЧШГ зависит от температуры изотермической закалки: максимальна при температуре закалки 320 - 360 ^оС (600 кДж/м²), снижается почти до нуля при 450 ^оС и затем несколько возрастает (до 200 кДж/м²) с повышением температуры закалки до 600 ^оС. В бейнитных ЧШГ образование мартенсита и огрубление структуры значительно снижают ударную вязкость.

Чугун с шаровидной формой графита со структурой так называемого «твердого глаза», состоящего из микрооболочек бейнита или сорбита отпуска (объемная доля 20…60 %) вокруг шаровидного графита (ШГ) при пластическом феррите обладает хорошей ударной вязкостью. При наличии подобной микроструктуры существенно замедляется разрушение межфазной поверхности ШГ - матрица. По сравнению с известной структурой «мягкий глаз» («бычий глаз») структура «твердый глаз» обеспечивает при одинаковой объемной доле второй фазы и равной микротвердости повышение микротвердости в 1,5 - 2,2 раза, причем тем большее повышение, чем выше доля второй фазы. Чугун со структурой «твердый глаз» с бейнитными микрооболочками вокруг глобулей имеет следующие показатели ударной вязкости (кДж/м²): 1650, 180…220, 80 при химическом составе чугуна, мас. %: 3,3 - 3,6 С; 2,3 Si; 0,3 Mn; 0,06 P; 0,012 S; 0,028 - 0,034 Mg.

Теплофизические свойства ЧШГ.

Плотность ЧШГ (d) зависит от количества и соотношения структурных составляющих сплава. Данные о плотности ЧШГ с различной матрицей:

Матрица	Плотность, кг/м3
Ферритная Перлитная Бейнитная	7100 - 7200 7200 - 7300 7250 - 7350

Наибольшее влияние на плотность ЧШГ оказывают включения графита. Поэтому увеличение в сплаве количества углерода и кремния (углеродного эквивалента) способствуют уменьшению его плотности. При увеличении количества цементитной составляющей плотность ЧШГ возрастает и приближается к плотности белого чугуна. Плотность ЧШГ близка к плотности углеродистой стали и несколько больше, чем у ЧПГ с одинаковой металлической основой.

Теплоемкость ЧШГ (С) зависит от температуры и количества структурных составляющих. Химический состав, форма графитных и цементитных включений и их дисперсность на теплоемкость практически не влияют. С повышением температуры теплоемкость графита существенно возрастает и изменяется незначительно для феррита и цементита.

Теплоемкость чистого железа (феррита) меньше, чем у структурных составляющих цементита и графита.

Теплопроводность ЧШГ ( ). Среди структурных составляющих чугуна графит имеет наибольшую теплопроводность. Теплопроводность чугуна зависит от количества графита и от формы графитных включений. ЧШГ менее теплопроводен, чем ЧПГ.

Увеличение количества цементита (перлит в сравнении с ферритом) в ЧШГ сопровождается несущественным снижением его теплопроводности. Влияние обычно присутствующих и легирующих элементов в чугуне на теплопроводность оценивают по их влиянию на графитизацию сплава, структуру и дисперсность фаз: графитизирующие элементы повышают, а карбидообразующие понижают теплопроводность ЧШГ.

Литейные свойства ЧШГ

Литейные свойства ЧШГ значительно отличаются от соответствующих свойств других чугунов.

Жидкотекучесть ЧШГ выше, чем у КЧ и СЧ высоких марок, и значительно выше, чем у стали, благодаря повышению С_э, что позволяет отливать из этого чугуна детали с толщиной стенок 3 - 4 мм со сложной конфигурацией, способствует получению отливок с чистой внешней поверхностью.

Усадка ЧШГ значительно отличается от усадки СЧ, главным образом, высоким значением _рас, что является основной причиной большой склонности его к образованию усадочных дефектов, хотя по усадке в жидком состоянии ЧШГ не отличается от СЧ. Общая усадка ЧШГ практически меньше, чем у СЧ, но разница это сравнительно невелика, поэтому изготовление моделей и стержневых ящиков часто производится с применением тех же усадочных масштабов, что и для СЧ.

Из-за более высокого модуля упругости Е и более низкой теплопроводности ЧШГ литейные напряжения в отливках значительно больше, чем в отливках из СЧ. Поэтому при производстве отливок из ЧШГ необходимо применять все меры для снижения напряжений.

ГОСТ 1585-70 на отливки из антифрикционного чугуна предусматривает ЧШГ двух марок: АЧВ-1 – перлитный чугун с ШГ, предназначенный для работ в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с термически обработанным (закаленным или нормализованным) стальным валом; АЧВ-2 – антифрикционный чугун, предназначенный для работы в паре с валом без термообработки. В табл. 3.9.12 приведены составы антифрикционных чугунов.

Герметичность. ЧШГ значительно превосходит СЧ по герметичности вследствие отсутствия графитной пористости и поэтому является хорошим материалом для отливок, работающих под большим давлением (400 кгс/см² и более), что позволяет использовать его для производства деталей дизелей, насосов, гидравлических и газовых установок.

Таблица 3.9.12 Составы антифрикционных чугунов

Марка чугуна	Содержание элементов, мас. %
	С	Si	Mn	P	S	Cu	Mg, не менее
АЧВ-1	2,8-3,5	1,8-2,7	0,5-1,2	До 0,2	До 0,03	До 0,7	0,03
АЧВ-2	2,8-3,5	2,2-2,7	0,5-0,8	До 0,2	До 0,03	-	0,03

В табл. 3.9.13 приведены рекомендуемые условия работы чугунов АЧВ-1 и АЧВ-2.

Таблица 3.9.13 Рекомендуемые условия работы чугунов

Структура матрицы	Удельное давление Р, 105Па	Окружная скорость V, м/с	PV, (105 Пам/с)
Перлитная (П95, П85), количество Ц до 3 %	5	5	25
Перлито-ферритная (П70, П60, П50), количество Ц до 3 %	120	1	120

Термостойкость. При термоциклировании с высокими скоростями охлаждения (например, охлаждение в воде) лучшими по термостойкости являются ЧПГ, со средними скоростями – ферритные ЧШГ и ЧВГ. Перлитные ЧШГ используют только при температурах до 450 - 500 ^оС. Наибольшую термостойкость имеют ЧШГ с феррито-перлитной структурой.

Служебные свойства ЧШГ

Износостойкость. Износостойкость ЧШГ зависит от структуры металлической основы. При прочих равных условиях минимальной износостойкостью обладает ЧШГ с ферритной структурой. Увеличение количества перлита в чугуне повышает износостойкость. При этом чугун с мелкодисперсным пластинчатым перлитом имеет большую износостойкость, чем ЧШГ с зернистым перлитом. Еще большую износостойкость имеет ЧШГ с бейнитной структурой.

Износостойкость материала зависит от уровня механических свойств, прежде всего от твердости. Поэтому износостойкость ЧШГ с перлито - бейнитной и бейнитной структурой в несколько раз выше, чем у перлитного чугуна.

ЧШГ часто применяется для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа и трения при высоких удельных давлениях и затрудненной смазке. Наиболее благоприятной в этом случае матрицей нелегированного ЧШГ является перлитная, характеризующаяся меньшим износом и меньшим коэффициентом трения. Например, у перлитного чугуна (НВ 270) коэффициент трения при удельном давлении 25 кгс/см² – 0,52, а при перлитно-ферритной матрице (НВ 207) – соответственно 0,70 и 0,62.

В условиях сухого трения при возвратно-вращательном движении износостойкость ЧШГ с перлитной основой в два-три раза выше износостойкости закаленной стали. То же самое наблюдается и при трении со смазкой и при абразивном изнашивании. Износостойкость ЧШГ можно существенно повысить путем легирования Mo, Ni, Cu, Cr и другими элементами, способствующими измельчению перлита или образованию бейнитной структуры.

Особенно важным свойством нелегированного или низколегированного ЧШГ можно считать его антифрикционные качества, проявляющиеся при работе деталей в условиях трения в подшипниках: низкий коэффициент трения, достаточная теплопроводность, препятствующая повышению температуры на поверхности трения, хорошая обрабатываемость, хорошая прирабатываемость, способность удерживать смазку в виде непрерывной пленки, отсутствие заедания и т.п.

Коррозионная стойкость ЧШГ весьма высокая: не ниже чем у СЧ, и значительно выше, чем у углеродистых сталей. При коррозии чугуна быстро образуется поверхностный окисленный слой, прочно связанный с металлической основой и защищающий металл от дальнейшего окисления в отличие от стали, на поверхности которой образуется отслаивающийся слой, не защищающий от дальнейшей коррозии. ЧШГ обладает более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, особенно при воздействии морской атмосферы в сравнении даже с медистой углеродистой сталью. Значительное повышение коррозионной стойкости ЧШГ достигается легированием. Так например, при легировании Ni ( 0,4 мас. %) коррозионная стойкость ЧШГ в морской воде становится в пять раз выше, чем у стали, а при легировании Cu или Р повышается в два-три раза.

Кавитационная стойкость ЧШГ значительно выше, чем у СЧ, причем при перлитной основе она больше, чем при ферритной.

Жаростойкость ЧШГ. Рост ЧПГ обусловлен процессами графитизации и внутреннего окисления, а ЧШГ – только графитизацией.

При температурах до 820 ^оС ферритный ЧШГ не имеет роста. Однако феррито-перлитный и перлитный ЧШГ склонны к росту вследствие графитизации. При температуре выше 820 ^оС рост всех типов ЧШГ может быть значительным, особенно в случае тонкостенных отливок из перлитного чугуна (около 1 % при толщине стенок менее 12 мм при выдержке 1…2 ч при 980 ^оС, а при толщине свыше 12 мм – 0,5 %).

Интенсивность роста ЧШГ зависит от размера графита, чем крупнее графитные включения, тем выше скорость роста, так как увеличивается путь диффузии углерода в матрице.

Нелегированные и низколегированные ЧШГ имеют высокую сопротивляемость окислению до 650 ^оС. При более высоких температурах необходимо легирование кремнием, алюминием и хромом.

Область применения ЧШГ

ЧШГ используется во многих отраслях техники взамен литой и кованной стали, серого и ковкого чугунов. Мировое производство ЧШГ превышает 7,5 млн. т в год, а к 2000 оно составляло около 20 млн. т [7].

Центробежнолитые трубы составляют половину мирового тоннажа ЧШГ. По механическим свойствам эти трубы близки со стальными, а по долговечности превышают их почти в 3…8 раз в силу более высокой коррозионной стойкости. Они используются в напорных трубопроводах для воды, нефти, разнообразных агрессивных жидких и газовых сред. Номенклатура труб из ЧШГ охватывает широкий диапазон их размеров: диаметр от 50 до 2800 мм, длина от 2000 до 8000 мм [27].

Номенклатура отливок из ЧШГ, освоенная в мировом автомобилестроении: коленчатые и распределительные валы; блоки цилиндров; кронштейны, рессоры, картер заднего моста, дифференциал; шатуны, тормозные барабаны и др.

ЧШГ – распространенный материал запорной и регулирующей арматуры, работающей в газовой и жидких средах (кислотных, солевых и щелочных), в том числе при отрицательных температурах.

Во многих странах эксплуатируются туннельные сегменты, изготовленные из перлитного чугуна с шаровидной формой графита, для метрополитенов и подземных дорог. Также применяют ЧШГ для производства деталей металлургического оборудования: сорто- и листопрокатных валков, изложниц массой до 10 т и для прокатных и поковочных слитков и др (см. главу 6)

Бейнитные ЧШГ эффективно заменяют кованные стали в производстве зубчатых колес и высоконагруженных износостойких деталей железнодорожного и грузового автомобильного транспорта, сельхозмашин, горнодобывающей техники.

Модификаторы для получения шаровидного и вермикулярного графита

Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава добавками, содержащими Mg, Ca, Ce, Y, Nd, Pr и другие РЗМ. Однако магний практически присутствует во всех применяемых модификаторах. Некоторые элементы, подобно сере, являются десфероизаторами графитных включений, в связи с чем их содержание в чугуне не должно превышать, мас.%: 0,009 Pb; 0,003 Bi; 0,026 Sb; 0,08 As; 0,04 Ti; 0,13 Sn; 0,3 Al. Влияние десфероизаторов частично или полностью устраняется добавкой ремодификаторов, например, церия и других РЗМ.

Для сфероидизирующего модифицирования ВЧШГ применяют металлический магний, лигатуры Cu – Mg, Ni-Mg, Fe-Si-Mg, Fe-Si-РЗМ и др.

Металлический магний (марок Мг1 и Мг2) в виде чушек в настоящее время используют мало ввиду интенсивного его испарения и сильного пироэффекта при обработке им чугуна в ковшах при обычных условиях. Пироэффект полностью подавляется при обработке чугуна магнием в герметизированных автоклавах. Металлический магний в виде гранул используют при модифицировании чугуна в ковшах большой вместимости (50 т и больше), когда они вводятся в расплав в струе азота. Магний в виде порошка используют при модифицировании чугуна порошковой проволокой.

Лигатурные модификаторы Cu – Mg и Ni-Mg, содержащие 10-20 % магния имеет то достоинство, что плотность их выше плотности жидкого чугуна и потому не вспывают и не ошлаковываются. Их недостатком является высокая стоимость, обусловленная присутствием в лигатуре большого количества меди и никеля.

Лигатурные модификаторы Fe-Si-Mg, Fe-Si-РЗМ содержат до 50 % кремния и 5-7 % магния. Главным их достоинством является практическое отсутствие пироэффекта ввиду малого содержания магния. Однако, они имеют невысокую плотность, поэтому загружают на дно ковша и пригружают стальй высечкой или стружкой.

Во всех случаях пред сфероидизирующим модифицированием целесообразно предварительное обессеривание чугуна, что снижает расход модификатора. Полезно также перемешивание чугуна азотом, что снижает расход магния на 20…25 % и повышает свойства чугуна.

Технологические процессы ковшевого модифицирования для получения ЧШГ

Особенностью технологии получения высокопрочного чугуна является необходимость проведения операций внепечной обработки жидкого исходного чугуна, состоящей из сфероидизации графитных включений и инокулирующего модифицирования для измельчения структурных составляющих и подавления первичных включений цементита. Качество литых деталей из ЧШГ определяется не только химическим составом сплава, тепловыми условиями формирования отливки, но в значительной степени и технологией сфероидизирующего модифицирования. От способа введения модифицирующих добавок зависят также их расход, эффект и стабильность процесса. Основной технологической операцией, обеспечивающей формирование шаровидного графита, является введение в расплав чугуна небольших (до 0,1 %) добавок элементов сфероидизаторов – магния, РЗМ, кальция и др..

Способы модифицирования для получения ЧШГ подразделяется на магниевый и лигатурный.

Применение металлического магния в качестве сфероидизирующего модификатора имеет существенные преимущества – минимальная стоимость присадки (в 3 раза дешевле, чем лигатура) и стабильность эффекта модифицирования. К недостаткам относятся:

- бурная реакция взаимодействия магния с жидкими чугуном при атмосферном давлении, сопровождающаяся сильным пироэффектом и возможными выбросами металла из ковша;

- склонность магниевого чугуна к отбелу при отсутствии графитизирующего модифицирования;

- необходимость применения специальных устройств для ввода магния в чугун (автоклавов, герметичных ковшей);

- появление «черных пятен» в структуре и др.

Однако экономичность процесса и низкие требования к качеству исходного чугуна определили широкое распространение в промышленности магниевого способа получения ЧШГ.

Металлический магний характеризуется низкой температурой кипения (1107 ⁰С), высоким парциальным давлением паров магния при температурах жидкого чугуна (0,5 - 1,2 МПа), что обуславливает технологические трудности его введения в чистом виде.

Заслуживает внимания разработанный ЦНИИТМашем новый технологический процесс (МДС - процесс) получения отливок из ЧШГ методом «Сэндвич», при котором в качестве сфероидизирующей добавки используется смесевой модификатор на основе порошка магния, ферросилиция и магнезита, прикрываемого дисперсной (3 - 5 мм) чугунной стружкой (расход смеси 1 - 2,5 %). За счет регулирования скорости растворения магния удается провести реакцию при незначительном пироэффекте.

Известен способ модифицирования чугуна, включающий обработку расплава магнием и последующее смешивание обработанного чугуна с необработанным в пропорциях, обеспечивающих содержания 0,03…0,06 мас.% Mg. Причем, для увеличения растворимости магния в расплаве обработанного им чугуна сохраняют низкий кремний, а в необработанном, перед смешиванием, повышают содержание кремния присадкой ферросилиция.

На первом этапе этого способа модифицирования необходимо получить чугунно-магниевую лигатуру при использовании специального ковша (рис. 3.9.4, а).

Рис. 3.9.4. Схемы способов модифицирования расплавов магнийсодержащими реагентами:

а – ковш для получения чугунно-магниевой лигатуры; б – модифицирование магниевой проволокой в стальной оболочке; в – конвертер «GF»;

1 – заполнение ковша; 2 – обработка магнием; 3 – выпуск модифицированного расплава

Более удобным является способ введение в расплав тонкоизмельченного пассивированного порошка магния, помещенного в металлическую оболочку (рис. 3.9.4, б). При введении в расплав такой проволоки с регулируемой скоростью обеспечивается необходимый расход магния. Реакция растворения и взаимодействия магния происходит ниже слоя жидкого металла, за счет этого значительно повышается коэффициент усвоения модификатора, а реакция происходит без дыма и выбросов металла. Известны различные методы введения магниевой проволоки в жидкий чугун, которые различаются по месту введения: в заливочную чашу, в ковш при переливе, в струю металла и т. д.

Наиболее распространенными способами ввода металлического магния в расплав является его обработка в герметизированных ковшах и автоклавах.

Эти способы основаны на подавлении процесса кипения магния за счет создания в камере избыточного давления. При использовании автоклавов давление в камере обработки расплава магнием создается воздухом или азотом (Рис. 3.9.5). В камеру помещают ковш 3 с чугуном. К рычагу 2 крепят контейнер 1 с дозой магния. Затем камеру закрывают крышкой 4, открывают вентиль в сети сжатого воздуха или азота. Когда давление в камере поднимается до 0,6 МПа поворотом рычага клнтейнер с магнием погружают в расплав. Поскольку давление в камере выше давления кипения магния, то процесс его растворения, который длится 6-10 мин, протекает без пироэффекта.

Рис. 3.9.5. Автоклав для модифицирования чугуна магнием

В герметизированных ковшах (Рис. 3.9.6) давление создается испаряющимся магнием. В зарядную камеру 1 закладывают необходимое количество магния и камеру закрывают крышкой 2. Через открытую горловину ковш заполняют жидким чугуном. Затем горловину закрывают крышкой. Которую прижимают к ковшу затворами 4. Затем ковш поворачивают против часовой стрелки на 90 ^о. При этом зарядная камера с магнием оказывается под расплавом чугуна. Магний под воздействием тепла жидкого чугуна нагревается, расплавляется и начинает кипеть. Пары магния создают над расплавом повышенное давление (0,3 – 0,5 МПА). Вследствие этого кипение магния прекращается и последующее растворение его протекает без эффекта кипения.

Рис. 3.9.5. Герметизи­рованный ковш кон­вертерного типа емкостью 10 т

В основе способа «GF» (рис. 3.9.4, в), разработанного швейцарской фирмой «Георг Фишер ЛТД», положено использование ковша, снабженного камерой – газообразователем, которая является важнейшим конструкционным элементом установки. При повороте ковша жидкий чугун через отверстие в камере соприкасаются с металлическим магнием, вызывая его интенсивное испарение. Давление паров магния резко возрастает, при этом прекращается поступление жидкого чугуна в камеру. Активно протекает процесс усвоения магния расплавом, давление уменьшается и далее цикл работы повторяется. В «GF» - способе реализуется саморегулирование испарения металлического магния. Преимуществами данного процесса является высокая степень десульфурации, возможность использования исходного чугуна с содержанием серы до 0,3 мас.%, низкие тепловые потери во время процесса, высокая производительность, возможность обработки большого объема металла, экономичность процесса.

При модифицировании чугуна магнием и его лигатурами возникает опасность образования «черных пятен», представляющих собой оксиды и сульфиды Mg и Mn и графит, для устранения которых применяют криолит, плавниковый шпат и хлористые и фтористые соли.

При модифицировании чугуна одновременно происходят процессы обессеривания, дегазации и другие процессы. С учетом расхода на эти процессы дозировка модификатора магния определяется по формуле:

Mg_ввод = ,

где S_n и S_o - содержание серы исходное и остаточное, мас.%;

0,04 - 0,1 – количество остаточного магния, мас.%, в зависимости от толщины стенки отливки и других факторов;

А – коэффициент усвоения магния.

При обработке в крупных ковшах количество введенного магния рекомендуется рассчитывать по формуле, учитывающей процессы угара при технологической выдержке расплава (, ч):

,

где _Mg – степень усвоения магния.

При недостаточном количестве остаточного магния образуется смешанный графит или графит с вермикулярной формой (ВГ), а при избытке – частичный или полный отбел. Коэффициент усвоения магния зависит от типа модификатора, метода его ввода, температуры металла после обработки и др. Правильная дозировка модификатора определяется опытным путем. В табл. 3.4. приведено влияние температуры и типа модификатора на усвоение магния.

Таблица 3.9.14 Влияние температуры и состава модификатора на усвоение магния

Модификатор, %	Усвоение Mg (%) при t, 0C
	1350-1400		1400-1450		1450-1500
14-16 Mg, 82-85 Ni 17-20 Mg, 50-55 Ni, 25-30 Si 12-16 Mg, 12-20 Fe, остальное Si		70-60 55-45 30-20		60-50 45-35 20-15		50-40 35-30 15-20

С целью повышения степени усвоения магния создают над зеркалом металла повышенное давление, при котором возрастает температура кипения t_к магния, обеспечивается медленное парообразование (табл. 3.5)

Для получения тонкостенных отливок без отбела рекомендуется после ввода сфероидизирующего модификатора проводить вторичное графитизируещее модифицирование, которое также способствует уменьшению усадочных дефектов и внутренних напряжений. При получении толщины стенки отливки 15 - 20 мм чаще всего в качестве модификатора применяют ФС75 и ФС90. Как и для СЧ, рекомендуется применять ФС с повышенным содержанием Ca, Al, Sr, La, и др.

Таблица 3.5. Зависимость температуры кипения и расхода магния от величины избыточного давления

Давление КГС/см2 (1015 Па)	2	4	6
Температура кипения, 0С	1200	1280	1350
Расход Mg, мас.%	0,4	0,3	0,25

Растворение магния во многих металлах позволяет получить лигатуры, более полно усваиваемые жидким чугуном, чем металлический магний. Реакция сферодизирующих лигатур с жидким чугуном происходит более спокойно, без значительного пироэффекта. Компоненты, входящие в состав лигатур, по функциональному назначению можно разделить на сфероидизаторы и дополнительные рафинирующие элементы, регуляторы интенсивности протекания модифицирующей реакции, графитизаторы, легирующие и наполнители. Для повышения эффективности обработки необходимо по возможности совмещать эти функции.

Наполнители. Главные требования к ним – высокая растворимость в них основного элемента сфероидизатора, они не должны отрицательно воздействовать на структуру ЧШГ, должны быть недорогими, недефицитными и иметь максимальную плотность. Чаще всего в качестве наполнителя используют сплавы на основе железа с кремнием (легкие лигатуры с плотностью меньше 5000 кг/м³) или никелем, медью либо их сочетанием (тяжелые лигатуры с плотностью больше 5000 кг/м³). В последнем случае наполнитель играет роль легирующего компонента чугуна и его использование оправдано при получении высоких марок чугуна, в том числе бейнитного класса.

Никельмагниевые лигатуры отличаются высокой технологичностью, быстро реагируют с расплавом, образуя небольшое количество шлака. Вместе с тем, высокая стоимость и дефицитность никеля сдерживают их широкое применение. Опыт КамАЗа показал возможность частичной замены никеля железом. Кроме того, применение лигатур на никелевой основе требует дополнительного графитизирующего модифицирования, что не гарантирует исключения отбела в тонкостенном литье. Поэтому более перспективными для массового производства отливок являются легкие лигатуры на железокремниевой основе, содержащие активные дополнительные элементы.

Регуляторы интенсивности протекания модифицирующей реакции. Кальций является самым распространенным элементом – регулятором скорости протекания реакции. Обладая высоким химическим средством к сере и кислороду, присутствующими в расплаве чугуна, кальций связывает их в устойчивые химические соединения, тем самым высвобождается основной элемент – сфероидизатор – магний от выполнения второстепенных функций. Лигатуры с высоким содержанием кальция (более 4-6 мас.%) реагируют с чугуном спокойно и их можно использовать только при высоком (более 1723 К) перегреве чугуна, что существенно сужает область их применения в литейных цехах. Вместе с тем чугуны, обработанные КМ с высоким содержанием кальция, имеют хорошие пластические характеристики за счет удаления из расплава и улучшения формы оставшихся в твердом чугуне неметаллических включений. Таким образом, наличие кальция в сфероидизирующих лигатурах оправданно, но создает определенные технологические трудности. Однако применение «чипс» – процесса модифицирования чугуна позволяет эффективно использовать высоко – кальциевые модификаторы в виде быстро охлажденной ленты толщиной 0,5…2 мм (рис. 3.9.5). За счет высокоразвитой поверхности модификатора в форме ленты скорость его растворения в жидком чугуне увеличивается на порядок, при этом не требуется высокого перегрева расплава.

Рис. 3.9.5. Схема процесса получения «чипс» модификатора

В практике производства отливок из ЧШГ наибольшее распространение получили КМ, в состав которых помимо магния – основного сфероидизатора входят кремний, РЗМ, кальций, цирконий, барий и другие элементы.

Имеются сведения о положительном влиянии Са и РЗМ в составе КМ на параметры модифицирующей обработки и механические свойства ЧШГ.

Чугун с вермикулярным графитом

ГОСТ 28394-89 регламентирует 4 марки чугуна с вермикулярным графитом: ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40 и ЧВГ 45. Для их получения чугуны должны иметь следующий химический состав (Табл. 3.9.14).

Таблица 3.9.14. Марки и химический состав чугуна с вермикулярным графитом

Марка чугуна	Массовая доля элементов, %
	С	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Mg
								∑ РЗМ
ЧВГ 30	3,3 – 3,8	2,2 – 3,0	0,2 – 0,6	До 0,08	До 0,025	До 0,15	-	0,015 – 0,028
								0,10 – 0,20
ЧВГ 35	3,5 – 3,8	2,2 – 2,8	0,2 – 0,6	До 0,08	До 0,025	До 0,15	-	0,02 – 0,028
								0,10 – 0,20
ЧВГ 40	3,1 – 3,5	2,0 – 2,5	0,4 – 1,0	До 0,08	До 0,025	До 0,20	0,4 – 0,6	0,02 – 0,028
								0,10 – 0,20
ЧВГ 45	3,1 – 3,5	2,0 – 2,5	0,8 – 1,2	До 0,08	До 0,025	До 0,30	0,8 – 1,0	0,02 – 0,028
								0,10 – 0,20

Вермикулярный графит (ВГ) подобно пластинчатому имеет форму взаимосвязанных графитных лепестков, отличающихся от ПГ меньшей степенью неравноосности (отношение длины лепестка ВГ к его толщине обычно находится в пределах 2 - 10, а в ПГ оно значительно превышает 10). ВГ характеризуется меньшими размерами и округлой формой кромок.

Методы количественного определения составляющих микроструктуры ЧВГ в отливках регламентированы ГОСТ 3443-87 (80 - 90 % ВГ, остальное ШГ; пластинчатый графит не допускается).

По прочности ЧВГ сравним с высокопрочным серым чугуном, однако пластичность, ударная вязкость, вязкость разрушения, модуль упругости, термостойкости, окалино- и ростоустойчивость, сопротивляемость коррозии, герметичность, ЧВГ выше, чем СЧ.

ЧВГ превосходит ЧШГ по демпфирующей способности, теплофизическим и некоторым специальным свойствам (тепло- и температуропроводности, термоусталостной стойкости, размерной стабильности в условиях теплосмен.

ЧВГ более технологичен, чем СЧ высоких марок и ЧШГ. Поскольку усадка ЧВГ меньше, чем у ЧПГ, как правило, отливки можно изготовлять без прибылей.

По сравнению с высокопрочным серым чугуном и ЧШГ склонность к отбелу ЧВГ ниже, что позволяет получать тонкостенные отливки без отбела в литом состоянии.

ЧВГ эффективен для производства отливок большой массы (например, изложниц массой до 100 т с толщиной стенок до 500 мм), деталей сложной конфигурации независимо от массы (например, блоков - картеров, головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания). ЧВГ на 20…25 % дешевле КЧ и ЧШГ. Обрабатываемость резанием ЧВГ значительно лучше, чем ЧШГ и стали. Шероховатость механически обработанной поверхности деталей из ЧВГ меньше, чем СЧ. Металлическая основа регулируется посредством легирования и термообработки.

Механические свойства ЧВГ

Механические свойства ЧВГ практически не зависят от размера ВГ, поскольку он изменяется в узких пределах. По показателю ударной вязкости ЧВГ значительно ближе к ЧШГ, чем к ЧПГ. Температура вязко-хрупкого перехода составляет от 0 до +15 ^оС в случае ферритной матрицы (аналогично ферритному ЧШГ) и ниже +100 ^оС – в случае перлитной матрицы. При температурах выше Т_в-х значения КС могут достигать 340 кДж/м². Температура условно нулевой пластичности (температура конца вязко-хрупкого перехода) ЧВГ весьма низкая: - 55, -75 и –115 ^оС для чугуна в литом состоянии, после нормализации и после отжига соответственно.

Сопротивляемость ЧВГ удару снижается с увеличением количества перлита С_э и содержания фосфора (свыше 0,06 мас. %). Ударная вязкость ЧВГ линейно возрастает с повышением количества ШГ в его структуре.

С понижением температуры испытания на ударный изгиб прочность ЧВГ все больше определяется свойствами матрицы, так как уменьшается доля траектории трещины, проходящей по графиту. Существует критическое содержание перлита в структуре ЧВГ ( 40 %), выше которого Т_в-х существенно возрастает, по-видимому, именно при этом пороговом содержании перлита обеспечивается непрерывность перлитного каркаса, обусловливающего хрупкое состояние матрицы в целом.

Вязкость разрушения ЧВГ значительно выше, чем у ЧПГ, но на 15 - 40 % ниже по сравнению с ЧШГ. В зависимости от степени сфероидизации графита показатель К_1с ферритного ЧВГ в 2,1 - 2,8 раза выше, чем у ферритного ЧПГ. Увеличение содержания перлита с 5 до 60 % снижает вязкость разрушения в 1,5 раза.

Теплофизические свойства ЧВГ

По уровню физических свойств ЧВГ занимает промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ (Табл. 3.9.15).

Таблица 3.9.15. Физические свойства чугунов ЧВГ, ЧПГ и ЧШГ

Свойства	ЧВГ	ЧПГ	ЧШГ
Плотность, кг/м3103	7,0-7,3	6,8-7,5	7,1-7,35
Коэффициент линейного расширения , 1/К10-6	12-14	10-13	9,0-12-5
Теплопроводность , Вт/(мК)	35-55	50-70	25-40
Удельное электросопротивление, Омм10-6	0,70-0,80	0,50-11,0	0,40-0,75
Абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м10-5	12-60	10-40	12-80
Магнитная индукция, Тл	0,4-0,7	0,4-0,7	0,35-0,7
Напряженность магнитного поля, А/м	320-800	400-1035	120-880
Удельная теплоемкость , кДж/(кгК)	0,48-0,55	0,46-0,54	0,46-0,56

ЧВГ обладает более высокими показателями теплопроводности и температуропроводности по сравнению с ЧШГ. Как у ЧПГ, теплопроводность ЧВГ повышается при увеличении С_э и доли феррита в структуре матрицы, но уменьшается с увеличением относительного количества ШГ:

 = 34,1 + 0,094 Х, Вт/(мК),

где Х – относительное количество ВГ, которое уменьшается от 0 до 100 %.

Служебные свойства

Износостойкость. По скорости износа ЧВГ тоже занимает промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ:

Тип чугуна Износ при качении V, мг/ч	Износ при скольжении V, мг/ч
ЧВГ 1,0 - 1,2	0,78 - 0,8
ЧПГ 1,6 - 1,8	1,2 - 1,4
ЧШГ 0,7 - 0,75	0,4 - 0,5

Термостойкость ЧВГ выше, чем ЧПГ, но ниже, чем у ЧШГ при термоциклировании по режиму 460  20 ^оС (нагрев горелкой с последующим охлаждением водой). Наличие ШГ практически не влияет на механизм зарождения и развития трещин, очагами зарождения термоусталостных трещин являются включения ВГ. Наивысшей термостойкостью обладает ферритная структура.

Жаростойкость. ЧВГ незначительно отличается от ЧПГ близкого химического состава при температуре 500 ^оС и длительности выдержки 32 недели. Однако при 600 ^оС и той же длительности выдержки сопротивляемость ЧВГ росту и окалинообразованию существенно выше, чем у ЧПГ. По окалиностойкости ЧВГ незначительно уступает ЧШГ.

Коррозионная стойкость ЧВГ при 20 ^оС в среде 5 %-ной H₂SO₄ почти в 2 раза выше, чем у ЧПГ. Перлитная матрица ЧВГ обеспечивает более высокую коррозионную стойкость, по сравнению с ферритной.

Герметичность ЧВГ при наличии 15, 25 и 45 % ШГ характеризуется давлением начала протечки 34,2 - 35,3, 37,3 - 37,6 и 41,2 - 43,7 МПа соответственно. При отсутствии пластинчатых включений графита ЧВГ по герметичности практически не уступает ЧШГ.

Область применения ЧВГ

В мировом автотракторостроении освоена большая номенклатура литых деталей из ЧВГ - картера, корпуса подшипников, коробки передач, маслопроводы, крепежные детали, тормозные рычаги, шкивы, бандажные кольца, шестерни, несущие кронштейны и др. массой от 0,4 до 41 кг. Толщина стенок перечисленных типов отливок колеблется от 4 до 50 мм, при этом гарантируются минимальные механические свойства: _в = 350 МПа; _0,2 = 280 МПа;  = 4 %.

ЧВГ являются эффективными заменителями и ЧПГ и ЧВГ. Его применяют также для производства металлургических отливок – сталеразливочных изложниц. Стойкость сквозных слябинговых изложниц массой 8 - 25 т из ЧВГ ваграночной плавки выше на 25 - 30 %, чем из ЧПГ

Различают следующие технологические варианты получения ЧВГ:

• введение в жидкий чугун одновременно глобуляризаторов и десфероидизаторов графита;

• обработка низкосернистого расплава РЗМ - содержащими присадками;

• введение в чугун недостаточного количества магния для образования шаровидного графита;

• обработка исходного расплава ваграночной плавки комплексными РЗМ и магнийсодержащими модификаторами с небольшим содержанием алюминия и кальция.

Расход модифицирующих присадок зависит от содержания серы в исходном расплаве, температуры модифицирования, способа модифицирования, конструкции и емкости ковша. При этом требуется, чтобы концентрация РЗМ превышала содержание серы в 5 - 10 раз.

Установлено, что РЗМ в порядке сфероидизирующего действия можно расположить следующим образом: La < Pr < Nd < Ce.

Из табл. 3.9.16 видно, что лантан имеет наибольший концентрационный интервал и низкий критический уровень содержания для получения ЧВГ. Следовательно, модификаторы, содержащие комплекс РЗМ, должны содержать максимальное количество лантана и минимальное церия, чтобы стабилизировать получение вермикулярного графита.

Таблица 3.9.16 Концентрации индивидуальных РЗМ, образующие ВГ в чугунах

РЗМ	Критический уровень содержания РЗМ, мас.%		Концентрационный интервал добавок, мас.%
	нижний	верхний
La Pr Nd Ce	0,026 0,036 0,047 0,050	0,12 0,091 0,124 0,110	0,094 0,052 0,077 0,060

Предложен оптимальный химический состав цериевого чугуна с вермикулярным графитом, в котором углеродный эквивалент должен быть близок к эвтектическому (3,7 мас.% С, а кремний до 3 мас.% в зависимости от толщины стенок отливок).

Для предотвращения отбела особое внимание следует уделять содержанию карбидосодержащих элементов, которое не должно превышать 0,01 мас.%. Для получения высоких значений ударной вязкости содержание фосфора должно быть ниже 0,05 мас.%, при увеличении толщины стенки эти требования ужесточаются. Содержание серы в исходном чугуне не должно превышать 0,02…0,03 мас.%. Такой жесткий контроль по сере и фосфору в сочетании с точной дозировкой содержания РЗМ модификаторов обеспечивает стабильность получения вермикулярного графита в литых деталях. Время между обработкой церием и концом заливки не должно превышать 10 мин.

Магниевый способ получения ЧВГ обладает следующими недостатками: малые технологические пределы содержания магния (0,012 - 0,021 %), при которых кристаллизуется вермикулярный графит. Это означает высокую вероятность получения чугуна с пластинчатым или шаровидным графитом из-за неизбежного колебания технологических параметров плавки (содержание серы в расплаве, магния в используемых модификаторах, температуры выпуска металла и др.). Поэтому данный способ применяется в основном для неответственного литья.

Перспективным является использование модификаторов, в которых присутствуют сфероидизаторы и деглобуляризаторы графита. Рекомендуемое отношение магния к титану составляет 1: (1 - 3).

ЧВГ, обработанный Mg-Ti лигатурами, имеет несколько более низкие пластические свойства, чем цериевые, в связи с выделением при эвтектической реакции дисперсных включений нитрида титана. Подобные лигатуры широко применяются в США, Великобритании и Японии.

Демодификатор выполняет важную функцию, заключающуюся в стабилизации вермикулярной формы графита и подавлении процесса образования шаровидного графита (рис.3.14). Так, например, присутствие в чугуне 0,06 - 0,13 % Ti расширяет технологические пределы остаточного магния с 0,015 - 022 до 0,015 - 0,05 мас.%, что в пересчете на добавку модификатора (5 % Mg) составляет 0,75 - 1,5 мас.% по сравнению с чугуном без добавки титана (0,75 - 1,0 мас.%).

Наиболее перспективными элементами, стабилизирующими вермикулярную форму графита, являются Ti, Zr, Al. Для устойчивого получения вермикулярного графита соотношение Mg_ост и элементов деглобуляризаторов предлагается выбирать, исходя из значений коэффициента фактора формы графита К = 10 - 25, который рассчитывается по формуле

,

где Mg_ост – остаточное содержание магния в чугуне;

К^/ = 4,4 % Ti + 1,6 % Al + 2,0 % As + 2,3 % Si + 5,0 % Sb + 290 % Pв + 370 % Bi.

К недостаткам этого способа получения ЧВГ можно отнести загрязнение собственного возврата, а в перспективе и металла вредными примесями.

Наибольшее распространение в практике производства ЧВГ получил ковшовый способ введения модифицирующих добавок, который характеризуется простотой, универсальностью и высокой технологической гибкостью процесса. Этот способ обеспечивает возможность получения мелкого и крупного литья на одном конвейере, легко вписывается в технологические схемы действующих цехов. При этом не требуется установки сложного дополнительного оборудования.

Как правило, при ковшовом способе совмещают процесс вермикулирующего модифицирования с инокулирующей обработкой расплава 70 % -ным ферросилицием с активными добавками бария, циркония и некоторых других элементов.

Хорошие результаты модифицирования достигаются, когда смесь вермикуляризатора и ферросилиция закладывают на дно ковша в стальном пакете. Колебания содержания остаточного магния в модифицированном расплаве составляет не более ± 0,002 мас.%, что свидетельствует о высокой стабильности процесса модифицирования. Стабильные результаты получают также при использовании сэндвич - процесса, когда на вермикуляризирующий модификатор помещают слой дробленого ферросилиция. Вместе с тем, сэндвич - процессу присущи недостатки, главным из которых является термовременной характер результата модифицирования. Неизбежные задержки при разливке обработанного расплава, широкое применение автоматических дозирующих устройств, в которых расплав может выдерживаться свыше 30 - 60 мин, могут приводить к нестабильности свойств ЧВГ, появлению отбела в отливках, выделению серы в тепловых узлах отливки и тем самым ограничивают область использования процесса ковшовой обработки. В этой связи перспективным представляется применение внутриформенного модифицирования чугуна с вермикулярным графитом, успешно применяемого в процессе производства ЧШГ.