14. Особенности производства высокопрочного чугуна.

В настоящее время чугун с шаровидным графитом чаще называется высокопрочным. Концентрация напряжений около включений графита шаровидной формы в два и более раза меньше, чем для графита пластинчатой формы. Поэтому высокопрочный чугун имеет не только высокую прочность, но и заметные пластические свойства, что позволяет изготовлять из него отливки-детали, работающие при ударных нагрузках. При этом экономически выгодно заменять отливки из углеродистой стали и ковкого чугуна отливками из высокопрочного чугуна. Так, по американским данным, удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т отливок, составляет: 3100 для серого и высокопрочного чугуна, 5700 для углеродистой стали и 6400 для ковкого чугуна. Такие отливки, как ступицы переднего и заднего колеса, изготовляют из высокопрочного чугуна взамен ковкого, а коленчатый вал – из высокопрочного чугуна взамен углеродистой стали.

Обязательным при производстве отливок из высокопрочного чугуна является модифицирование с целью получения шаровидного графита, низкое содержание серы (менее 0,012 %) при отсутствии в химическом составе демодификаторов (Вi, Sе, А1, Тi, Аs, Pb).

Для первичной сфероизидирующей обработки чугуна используют металлический магний, лигатуры и смеси, содержащие щелочноземельные и редкоземельные металлы.

Металлический магний. По ГОСТ 804-72 магний первичный трех марок поставляется в чушках массой 8 кг: Мг 96 (свыше 99,96 % Mg), Мг 95 (свыше 99,95 % Mg) и Мг 90 (свыше 99,90 % Mg). Чушки магния должны храниться в сухих закрытых вентилируемых помещениях. Для устранения технологических недостатков металлического магния как сфероидизирующей добавки предложено легирование его кальцием.

Магнийсодержащие лигатуры. С помощью магнийсодержащих лигатур получают более половины мирового производства отливок из ЧШГ. В настоящее время в мире используется много разнообразных составов лигатур, преимущественно полученных на основе ферросилиция.

В отличие от металлического магния многокомпонентные сплавы-сфероидизаторы (лигатуры) позволяют существенно упростить и удешевить процесс модифицирования, целенаправленно управлять структурообразованием и свойствами ЧШГ, а также снизить пораженность отливок литейными дефектами.

Самыми распространенными являются модификаторы на основе магния, в частности лигатуры магния с ферросилицием ФСМг, а также лигатуры Ni–Si–Mg, ЖКМК (Fe–Si–Mg–Са) и КМ (Si–Са–Mg). Для модифицирования используют также редкоземельные металлы (РЗМ – Lа, Се, Nd и др.).

По ГОСТ 7283—85 высокопрочный чугун подразделяется на восемь марок (табл. 5.4). В обозначении марки кроме букв ВЧ (высокопрочный чугун) приводится цифра – временное сопротивление σ_в, кгс/мм² т.е. предел прочности при растяжении.

По металлической матрице чугуны подразделяются на ферритные, перлитно-ферритные, перлитные и бейнитные. Чугуны первых двух типов производят в литом состоянии без термической обработки, перлитные чугуны получают с нормализацией, а бейнитные — с закалкой и отпуском.

Для формирования в структуре шаровидного графита необходимо, чтобы количество усвоенного модификатора соответствовало 0,03...0,06 %. При меньшем количестве образуется не шаровидный, а пластинчатый графит, при большем появляется отбел, т. е. возникает необходимость в термической обработке.

Сфероидизирующая обработка расплава для получения ЧШГ.

Сэндвич-метод. Это наиболее широко используемый метод в массовом производстве автомобильных отливок из ЧШГ. Он предусматривает размещение мелкокускового магнийсодержащего сплава-сфероидизатора в углублении донной части футеровки ковша, нанесение на всю открытую поверхность сфероидизатора слоя покровного материала (обычно стальных штамповочных высечек). Ковш заполняется жидким чугуном таким образом, чтобы струя расплава не попадала прямо на лигатуру и покровный материал.

Основные преимущества сэндвич-процесса: простота, низкая себестоимость, технологическая гибкость. Основные недостатки: значительные дымовыделения (оксид магния) и свечение, сопровождающие обработку; относительно низкое, иногда нестабильное усвоение магния (обычно 30—40 %); значительное увеличение содержания кремния в чугуне, что ограничивает количество оборотного скрапа ЧШГ, который может быть переплавлен, и содержание кремния в исходном чугуне; значительное снижение температуры чугуна при обработке; необходимость тщательной очистки ковшей от шлака после обработки для предотвращения попадания шлаковых включений в отлив­ки; невозможность использования высокосернистого чугуна прямо из вагранки.

В качестве покровного материала для сэндвич-метода широко используются стальные отходы, листовая обрезь, ферросилиций. Эффективность сэндвич-метода зависит от кусковатости лигатуры; оптималь­ный размер кусков лигатуры 2—25 мм.

МДС-проиесс (предложен ЦНИИТМАШ). Модифицирующая смесь засыпается в разогретый до 600-800 °С ковш не ранее 5 мин до выпуска металла. Необходимое количество модифицирующей смеси определяется в зависимости от содержания серы в исходном чугуне и составляет обычно до 0,1 % магния от массы обрабатываемого чугуна. При повторении цикла модифицирования в ковше не должно быть остатков жидкого чугуна. Выплавка чугуна для модифицирования может производиться в любых плавильных агрегатах (вагранка, дуговая или индукционная электропечь). Химический состав исходного чугуна должен соответствовать составу требуемой марки ЧШГ. Температура чугуна перед модифицированием должна быть в пределах 1320-1460 С. Модифицирование чугуна начинается с момента выпуска его в ковш из плавильного агрегата. Сливать чугун в ковш следует с максимально возможной скоростью, направляя струю металла в свободный от модификатора карман. При случайном попадании струи металла в карман с модификатором происходит вспышка магния в результате перемешивания струей модифицирующей смеси, которая всплывает в чугуне и за несколько секунд сгорает на поверхности чугуна. В этом случае модифицирование следует считать неудачным, металл должен быть слит в печь. Нормально процесс модифицирования сопровождается кипением металла, интенсивным его перемешиванием без выплесков и пироэффекта. При окончании процесса кипение прекращается Продолжительность модифицирования в ковшах емкостью от 0,5 до 5т составляет от одной до трех минут. Технология МДС - процесса считается экономичной для небольших литейных производств, отличается высокой стабильностью и гибкостью процесса, позволяет получать ЧШГ с высокими прочностными и пластическими свойствами в литом состоянии как при выплавке чугуна в электропечах, так и в вагранках.

Метод тандиш-кавер. Эффективный и относительно простой метод является разновидностью процесса сэндвич. Он предусматривает использование совмещенной крышки-чаши (тандиш-кавер), футерованной огнеупорами и имеющей заливочно-выпускное отверстие. Расплав чугуна заливают через крышку-чашу в ковш, в реагентной камере которого размещен мелкокусковой магниевый сплав-сфероидизатор. Выпуск чугуна из ковша производится через отверстие той же чаши. По сравнению с методом сэндвич этот метод имеет следующие преимущества: более высокое и воспроизводимое усвоение магния; отсутствие пироэффекта и резкое снижение дымовыделения; пониженные потери углерода и температуры жидкого чугуна; менее бурная реакция; более технологичная конструкция ковша; меньшее количество шлака, образующегося при сфероидизирующей обработке.

Толщину стальной крышки устанавливают с учетом массы огнеупорной футе­ровки и жидкого чугуна в литниковой чаше. Юбку-отражатель и чашу изготовляют из более тонкого стального листа. Специальных огнеупоров для крышки не требуется. Толщина футеровки боковых стенок чаши, ее днища и внутренней поверхности крышки ковша – обычно 25…40, 40…50 и свыше 50 мм соответственно. При расчете диаметра заливочно-выпускного отверстия чаши исходят в основном из того, что жидкий чугун должен находиться в чаше до тех пор, пока не утихнет реакция взаимодействия магниевой лигатуры с чугунным расплавом.

Инмолд-процесс. Процесс предусматривает размещение сфероидизатора внутри литейной формы в специальной реакционной камере, расположенной между стояком и питателем отливки. Он эффективен только для низкосернистого исходного чугуна (не более 0,01 % S) и требует обеспечения равномерной скорости растворения сфероидизатора при заполнении формы расплавом чугуна, предотвращения попадания в отливку не растворившихся частиц сфероидизатора и продуктов химических реакций сфероидизирующей обработки в виде шлаковых включений.

Этот способ обеспечивает уменьшение расхода дорогостоящего модификатора, структура чугуна получается без термической обработки в литом состоянии, время между процессом модифицирования и моментом заливки равно практически нулю, т.е. решается проблема, связанная с кратковременностью действия модификатора. В то же время уменьшается производительность (на модельной плите располагаются реакционные камеры, в которые засыпается модификатор, и число отливок уменьшается), снижается выход годного. К положительным сторонам Inmold-процесса следует также отнести уменьшение предусадочного расширения и уменьшение объема прибылей до 40 %.

Особенности литейных свойств высокопрочного чугуна. Жидкотекучесть высокопрочного чугуна выше, чем жидкотекучесть серого чугуна, поэтому тонкостенные отливки высокопрочного чугуна получаются без проблем. Усадочные свойства в значительной степени зависят от литой структуры отливки. Если отливка затвердевает «по-белому», то в ней образуются усадочные раковины и необходимы прибыли, как и для белого чугуна. Объем усадочных дефектов достигает 6% и более; возникают горячие и холодные трещины. Если структура высокопрочного чугуна получается в литом состоянии (как правило, при использовании вторичного модифицирования ферросилицием), т.е. при затвердевании не выделялся структурно свободный цементит, а происходила графитизация, то объем прибылей и объем усадочных дефектов уменьшается на 20... 30 % и составляет 4,5... 5,5 %. Горячих трещин при этом не возникает, холодные трещины образуются реже, чем при затвердевании «по-белому».

При модифицировании в литейной форме (при реализации Inmold-процесса) объем усадочных дефектов уменьшается еще на 30...40% за счет выделения большего количества графита и составляет 3,0...4,5 %. Простые тонкостенные отливки из ферритного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (типа патруб­ков) небольшой массы можно отливать без прибылей (при этом литейные формы изготовляются из высокопрочных смесей).

Линейная усадка отливок высокопрочных чугунов меньше, чем в случае серых чугунов, в связи с тем, что в первых большее предусадочное расширение, главным образом из-за графитизации сра­зу после затвердевания. При модифицировании в ковше оно составляет 0,4...0,5%, а при модифицировании в форме – 0,2...0,22%. Поэтому при переходе на Inmold-процесс модельную оснастку необходимо переделывать, так как линейная усадка отливок различается в этих двух случаях на такую же величину (при Inmold-процессе линейная усадка больше).

Остальные литейные свойства (газонасыщение, ликвация, изменение механических свойств в зависимости от толщины стенки) такие же, как у серого чугуна.

При содержании серы более 0,012 % отливки поражаются неметаллическими включениями – «черными пятнами», состоящими из MgS, MnS, MgO.

Из других технологических свойств следует прежде всего отметить более высокую герметичность высокопрочных чугунов из-за отсутствия графитной пористости, и эти чугуны можно использовать для отливки деталей, работающих при давлениях 40 МПа (400 кгс/см²) и выше.

Обрабатываемость высокопрочного чугуна, определяемая, например, по стойкости резца, зависит от твердости НВ металлической матрицы. Чистота поверхности деталей из высокопрочного чугуна выше, чем деталей из серого чугуна, вследствие обособленности включений графита.

Преимуществом высокопрочного чугуна перед сталью является меньшая плотность, а значит, и меньшая масса, которая еще более снижается в связи с тем, что из этого чугуна можно отливать более тонкостенные детали благодаря его более высокой жидкотекучести. Важным преимуществом в этом отношении является также более низкая температура плавления (примерно на 300°С), что облегчает и удешевляет процесс плавки. Кроме того, значительно упрощается и удешевляется изготовление литейных форм, так как не требуются дорогие формовочные материалы, специальная керамика для литниковых систем и т.п. К большим преимуществам высокопрочного чугуна относятся также меньшая склонность к образованию горячих трещин и большая циклическая вязкость.

В сравнении с ковким чугуном преимуществами высокопрочного чугуна являются лучшие литейные и более высокие механические свойства, возможность во многих случаях обходиться без термической обработки, а также возможность применения для изготовления деталей любых сечений, массы и размеров.

Высокие значения механических свойств высокопрочного чугуна дают также возможность заменять им серый чугун, при этом достигаются уменьшение толщины стенок и снижение массы отливок. Например, при переходе на высокопрочный чугун значительно уменьшается толщина водопроводных труб, уменьшается масса тюбингов метрополитенов и подземных шахт, при этом ме­таллоемкость конструкций снижается в 1,5…2 раза.