УДК 621.74.669.131.6 С. П. Королев, В. М. Королев (ОНИЛлит БИТУ, г. Минск) Практика производства отливок из чугуна с вермикулярным графитом Недостаточная изученность процессов плавки, внепечной об­ работки и структурооброзово- ния ч у г у н а с в е р м и к у л я р ­ ным г р а ф и т о м (ЧВГ) объяс­ няет низкий уровень объемов его производства. Технология произ­ водства отливок из ЧВГ должна гарантировать стабильное полу­ чение требуемой структуры. Из­ вестные классические способы получения отливок из ЧВГ, осно­ ванные но недомодифицирово- нии чугуна сфероидизотороми (в основном, магнием [1]), обла­ дают устойчивостью ввиду чрез­ вычайно узких пределов остаточ­ ного содержания магния (0,015... 0,025%). Малые присадки верми- куляризоторо в исходный рас­ плав ведут к образованию плас­ тинчатых включений графита, что чревато резким снижением проч­ ностных свойств, напротив, по­ вышенные — к сфероидизоции графитных включений и появле­ нию дефектов усадочного проис­ хождения в отливках. В работе было поставлена задача — но основании изуче­ ния влияния индивидуальных РЗМ и щ е л о ч н о - з е м е л ь н ы х м е ­ таллов (ЩЗМ) в сочетании с рядом других элементов IV гр. таблицы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева раз­ работать химсоставы комплекс­ ных модификаторов, которые бы позволили расширить область устойчивого формирования в е р - м и к у л я р н о г о г р а ф и т а (ВГ) и создать технологию стабильно­ го производства отливок из ЧВГ. Большинство химсостовов мо­ дификаторов, используемых в про­ изводстве отливок из ЧВГ, содер­ жат один или несколько деглобу- ляризоторов [2]. Хотя механизм влияния этих элементов но гро- фитооброзовоние в достаточной мере не изучен, .однако замече­ но, что присутствие титана в рас­ плаве расширяет область крис­ таллизации ВГ в магниевом чугу­ не. Румынские исследователи [3] разделяют элементы-деглобуля- ризоторы но три группы. Группа I — это элементы онтисфероиди- зоторы: Zn, Cd, Hg, Al, Sn, Pb, As, Sb, Bi. К группе II принадле­ жат косвенные онтисфероидизо- торы: Ti, Zr, Hf. В группу III вхо­ дят онтисфероидизоторы общего действия: О, S и др., находящие­ ся в шестой группе Периодиче­ ской системы элементов. Вместе с тем, в литературе отсутствуют научно обоснованные сведения об оптимальных соотношениях сфероидизирующих и десферои- дизирующих элементов для ста­ бильного получения ВГ в чугунох. Для установления закономер­ ностей взаимного влияния отдель­ ных' сфероидизоторов исследо­ вали их действие но формообра­ зование графита в синтетических Fe-C-Si сплавах. В качестве ших­ товых материалов использовали материалы высокой чистоты: кар­ бонильное железо марки ВЗ, ре­ акторный графит, полупроводни­ ковый кремний марки КДБ-0,045, химически чистые Мд, Се, Ti, Zr. Технология производства реак­ торного графита, полупроводни­ кового кремния и активных доба­ вок обеспечивала достаточную чистоту составляющих шихты. Во избежание насыщения сплава газами и угора его компонентов нагрев и расплавление образ­ цов осуществлялось в атмосфе­ ре аргона марки А. Для исследования влияния ти­ тана но формирование графит­ ной фазы в высокоуглеродистых сплавах железа его вводили в синтетические сплавы Fe-C-Si эвтектического состава в количе­ ствах 0,01 ...0,50%. Результаты исследований показали, что до­ бавки о,01...0,07% Ti активизиру­ ют процесс зарождения графит­ ной фазы при кристаллизации синтетического Fe-C-Si-сплаво. Последнее связано, вероятно, с образованием нитридов и кор- бонитридов титана, играющих роль активных подложек для кри­ сталлизации графита. С увеличе­ нием концентрации титана сверх 0,07% проявляется его карбидо­ образующее действие, повыша­ ется склонность сплава к пере­ охлаждению, доля цементитной эвтектики в структуре чугуна рез­ ко возрастает и при 0,5% Ti до­ стигает 80% (рис. 1). г- V ж Рис. 1. Влияние титана на твер­ дость синтетического Fe-C-Si-сплава Для изучения совместного влияния де- и сфероидизоторов на формообразование графита в синтетический сплав Fe-C-Si вводили церий и титан. Количест­ во церия выбирали достаточным для формирования ^ 50% шаро­ видных включений от числа всех включений графита на площади шлифа (0,12% к массе навески ■i<. г ■І.-- ISSN 0024-449Х. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО. 2004. № 11 IŁ I.-.-:» ^ ССГ, % 0,01 0,05 0,09 % T i 0,02 0,06 0,10 % C e 0,0025 0,01 0,03 0,07 0,11 0,15 % Zr0,02 % M g „ , A Рис. 2. Влияние на ССГ: а — присадки титана в Fe-C-Si-сплав, обработанный 12% Се; б — добавак церия в присут­ ствии 0,03% Ti; в — дабавак магния в присутствии 0,03% Ti; г — присадки циркания в сплав, обработанный 0,12% Се Fe-C-Si-сплава). Возрастающие присадки титана закономерно снижали степень сфероидизации графита, то есть форма графит­ ных включений изменялась от шаровидной (ШГф4) к вермику- лярной (ВГфЗ, ВГф2, ВГф1), да­ лее — к колониям графита пере­ охлажденной эвтектики и затем к крупнопластинчатым образова­ ниям (рис. 2, о). Титан, введенный совместно с церием, расширяет концентраци­ онный интервал образования ВГ в синтетическом чугуне в сравне­ нии с присадкой чистого церия. Добавки чистого церия в синте­ тический Fe-C-Si-сплав способ­ ствуют кристаллизации графита вермикулярной формы в преде­ лах о,02...0,09%. При наличии 0,03% Ti интервал образования ВГ несколько расширяется, сме­ щаясь в сторону больших доба­ вок церия (рис. 2, 5) и составля­ ет 0,05...0,13%. Смещение ин­ тервала ВГ в сторону больщих концентраций можно объяснить взаимодействием титана с угле­ родом. Связывая часть углерода, титан препятствует формирова­ нию графитных включений вер­ микулярной формы при неболь- щих концентрациях церия. Более заметное расширение интервала формообразования ВГ в синтетическом сплаве Fe-C-Si наблюдается при добавках тита­ на к магнию. При добавках чис- тога магния в синтетический Fe-C-Si-сплав ВГ образуется в интервале 0,0084...0,016%. До­ полнительное введение 0,03% Ti расширяет эти пределы до 0,011...0,029% (рис. 2, в). Сме­ щение интервала кристаллиза­ ции ВГ в сторону больщих кон­ центраций магния происходит, вероятно, в результате взаимо­ действия титана с компонентами сплава и изменения условий гра- фитообразовония. В отличие от титана поведе­ ние циркония в чуг/не неодно­ значно. Следует отметить, что он характеризуется повышенным хи­ мическим сродством к сере и га­ зом. Исследования показали,что влияние возрастающего количест­ ва циркония на степень с ф е р о ­ и д и з а ц и и г р а ф и т а (ССГ) в синтетическом сплаве Fe-C-Si эвтектического состава, предва­ рительно обработанного церием (0,12% Се), аналогично дейст­ вию титана. Из рис. 2, г видно тенденция десфероидизирующе- го действия циркония в цериевом синтетическом чугуне. Однако он способствует формированию более широкой зоны ВГ по срав­ нению с титаном — 0,02...0,13%. В синтетическом чугуне цир­ коний проявляет только грофити- зирующее воздействие, что под­ тверждается постепенным сниже­ нием твердости Fe-C-Si-сплава по мере увеличения содержания циркония в нем (рис. 3). В отсут­ ствии сфероидизирующих элемен­ тов цирконий не вызывает глобу- ляризации графита в синтетиче­ ском чугуне. Введенный совмест­ но с церием, в количестве 0,03%, он изменяет зону вермикуляри- зации графита с 0,02...0,09 до о,06...0,13% Се (рис. 4). Смеще­ ние интервала цериевого ЧВГ в сторону ббльших концентраций в синтетическом чугуне связано, вероятно, с теми же причинами, что и при добавлении Ti. Цирконий значительно расши­ ряет интервал формирования ВГ под воздействием магния (рис.4, о) с 0,0084..0,016 до 0,011... 0,030% Причем, анало­ гично титану, добавка 0,03% циркония к возрастающей при­ садке магния расширяет несколь­ ко зону графита переохлажден­ ной эвтектики. Механизм десфе- роидизирующего действия цир- дость синтетического Fe-C-Si-сплава А Рис. 4. Влияние на ССГ: о — добавок церия в присутствии 0,03% Zr; б- остаточных концентраций магния в присутствии 0,03% Zr кония при добавке к церию схож с поведением гитана, хотя на сегодня однозначно не объясним, и, вероятно, достаточно сложен. Полученные результаты изучения влияния цирко­ ния но форму грофита при кристаллизации синте- тическога чугуна показали, что он проявляет дес- фероидизирующее действие на графитную фазу в присутствии сфероидизаторов. Самостоятельного вермикуляризующего или сфероидизирующего вли­ яния цирконий не оказывает. Из приведенных результатов следует, что иссле­ дование совместного влияния сфероидизирующих элементов (магния, церия), а также десфероидиза- торов (титана, циркония) должно позволить обос­ нованно подойти к рациональному выбору состава комплексной лигатуры для стабильного получения ВГ в структуре чугуна. Поэтому были проведены се­ рии экспериментов по изучению влияния комплек­ сов Mg-Ce-Ti-Zr на формообразование графита в Ре~С~5і-сплавах, в которых концентрации рас- сматривоемых элементов изменялись от 0,01 до 0,10%. Анализ полученных результатов показал, что наиболее перспективная область оптимальных соотношений Мд и РЗМ (церия) в присутствии Ti и Zr, обеспечивающая более эффективную стабили­ зацию структуры ЧВГ при общем минимальном рас­ ходе присадок, принадлежит к категории низкомаг­ ниевых лигатур (3...5% Мд) и описывается соотно­ шением; (Zr -н Ti): Mg: РЗМ = 1 : (1 + 2): (1,5 -н 3). Результаты экспериментов но чистых мотерио- лах свидетельствуют о том, что формоизменения при кристаллизоции грофитной фозы происходят после­ довательно — от грубо пластинчатых включений к графиту переохлажденной эвтектики, зотем ВГ и ШГ. Если рассмотреть крайние формы, то есть плас­ тинчатую и шаровидную, то кристаллическое стро­ ение их включений различается существенно. При образовании пластинчатой формы подавляющее преимущество наращивания имеют призменные грани решетки графита (грани вдоль базиса плос­ кости), а для шаровидной формы рост идет за счет наслоения базисных плоскостей. По мере увеличе­ ния присадки в жидкий чугун модификатора (сферо­ идизирующего элемента) постепенно повышается вероятность ускорения роста графита но перпен­ дикулярно базисных плоскостях и замедления — вдоль базисных — на призменных. Это должно ска­ заться на строении графитных включений. Надо по­ лагать, что при переходе к ВГ происходит поворот базисных плоскостей в графитном каркасе за счет большей концентрации сфероидизирующего эле­ мента в данном микрообъеме кристаллизующегося расплава. На завершающем этапе кристаллизации эвтектики остатки жидкой фазы обогащаются моди­ фикатором (сфероидизирующим элементом), имею­ щем чрезвычайно низкую ростворимостъ в графите и аустените. Его концентрация достигает уровня, соответствующего образованию ШГ. Сфероидизо- ция отделъных мест графитных каркасов в этих условиях осуществляется часто с появлением шаро­ видных образований, или изгибом всего каркаса ток, чтобы базисные плоскости решетки графита располагались перпендикулярно притоку углерода из жидкого чугуна. Концентрация сфероидизатора может выходить на этот уровень и раньше (на ка­ кой-то период) в зависимости от колебаний степе­ ни насыщенности отдельных микрообъемов жидкой фазы модификатором, что находит подтверждение при изучении микроструктуры ЧВГ. На основании проведенных исследований уста­ новлено, что для стабильного производства отли­ вок из ЧВГ более рационально применять комплек­ сные низкомагниевые модификаторы, содержащие десфероидизирующие элементы. Однако наличие в химсоставе чугуна десферои- дизаторов графита нежелательно, что и стало пре­ градой в распространении этого чугуна из-за нега­ тивного остаточного действия титана, особенно при производстве в одном цехе отливок из ЧШГ и ЧВГ ввиду накопления титана в возврате. Поэтому производство отливок из ЧВГ на базе модификаторов, содержащих сфероидизирующие и десфероидизирующие элементы, осуществимо только на отдельных специализированных участках, либо параллельно с производством отливок из се­ рого чугуна, причем невысоких морок. При изго­ товлении отливок из СЧ 25 и СЧ 30 велика вероят­ ность появления повышенной твердости из-за на­ копления в возврате титана. Для решения этих проблем сотрудники кафед­ ры “Металлургия литейных сплавов" и ОНИЛлита (БИТУ, г. Минск) провели исследования, которые позволили установить, что для создания стабильно­ го техпроцесса получения ЧВГ необходимо иметь следующее; • вермикуляризирующие модификаторы с низкой температурой плавления, высоким процентом усвоения, длительной 'живучестью' (> 20 мин); • номенклатуру отливок с прочностными характе­ ристиками; 300<а<450 МПа; 1^5< 4% ; 170^НВ^250, высокими показателями термо­ стойкости и приемлемыми технологическими свойствами; • подтверждение экономической целесообразности перевода номенклатуры отливок с ЧПГ и ЧШГ на ЧВГ. Из числа отливок, используемых в металлургиче­ ском производстве, в первую очередь, технически и экономически целесообразно производство из ЧВГ изложниц с учетом специфики техпроцесса, для ко­ торого характерны; • низкая температура заливки форм (1200...1250°С); • большая масса отливки (> 2 т); • большая толщина стенки отливки (> 100 мм). Это определило расчет необходимого химсо­ става комплексного модификатора, о также спо­ соб его изготовления. Главное требование — такие модификаторы должны обладать устойчивым "вер- микуляризующим" эффектом. Исследования, проведенные но чистых Fe~C-Si- спловох в среде аргона, позволили эксперимен­ тально найти оптимальное сочетание активных эле- ментов-вермикуляризоторов магния и РЗМ (церия, иттрия, лантана, неодима, празеодима) для форми­ рования ВГ в зависимости от содержания серы в исходном расплаве. С т е п е н ь с ф е р о и д и з о ц и и г р а ф и т а (ССГ) определяли по методике, разра­ ботанной В. И. Литовкой [4]. Но рис. 4, б приведе­ ны зависимости остаточного содержания магния и РЗМ но ССГ в синтетическом Ге-С—Si-сплове эвтек­ тического состава {С ^= 4,3), обработанном комп­ лексными присадками 'Мд -ь РЗМ". Для создания эффективного комплексного моди­ фикатора разработан способ изготовления быстро- охлажденной структуры, ток называемый "чипс-мо- дификотор" но основе ферросилиция'. Организо­ вало производство гаммы быстроохложденных мо­ дификаторов различного назначения НПП "Техно­ логия", г. Челябинск (ген. директор А. Я. Дынин, техн. директор Р. Г. Усманов, под научным руковод­ ством И. В. Рябчиково). Быстроохложденноя структура комплексного мо­ дификатора позволяет ему усваиваться расплавом чугуна при более низких температурах (~1200°С), чем традиционные кусковые фракционные модифи­ каторы типа ФСМг. Сочетание большего количест­ ва естественно окисленных элементов (Мд + РЗМ) и элементов-стабилизаторов в составе комплексных быстроохложденных “ чипс-модификаторов" увели­ чило время "живучести", то есть эффект вермикуля- ризующей обработки до 25...30 мин. Эти преимущества "чипс-модификаторов" по­ зволили стабилизировать технологию производства отливок из ЧВГ. В условиях чугунолитейного цеха О АО "Чусовской металлургический завод" (Перм­ ская обл.) разработан и освоен процесс производ­ ства глуходонных сталеразливочных изложниц пря­ моугольного сечения из ЧВГ массой > 2,5 т и сред­ ней толщиной стенки ТОО мм. В настоящее время осваивается технология изготовления изложниц для слитков железнодорожных колес в условиях чугуно­ литейного цеха О АО "Выксунский металлургиче­ ский завод" (Нижегородская обл.). Мосса изложни­ цы 5000 кг при толщине стенки 120 мм. Совместно с ИТЦМ "Металлург", г. Москва, (ген. директор Ф. И. Ковалев) и О АО "КамАЗ" (главный металлург В. И. Сивко) разрабатывается ’ Авторы способа производства "чипс-модификаторов": Леках С. Н., Шейнерт В. А., Слуцкий А. Г., Бестужев Н. И., Михайловский В. М., Розум В. А. и другие сотрудники ОНИЛлит БИТУ. программа перевода ряда отливок двигательной группы с ЧПГ на ЧВГ, и в условиях ОАО "КамАЗ- Металлургия" изготовлены опытные отливки блока цилиндров и картерных отливок из ЧВГ. Подготови­ тельные работы по изготовлению ряда отливок из ЧВГ ведутся по номенклатуре ОАО "Турбомотор- ный завод" (г. Екатеринбург). Создание ряда быстроохлажденных "чипс-мо­ дификаторов" под торговой маркой VERMILOY-B (ТУ 14-5-248-01) совместно с НПП "Технология' позволило организовать производство отливок из ЧВГ различной массы, разных толщин стенок на базе ряда плавильных агрегатов: газовой вагранки (ОАО "ЧМЗ"), коксовой вагранки (ОАО "ВМЗ"), ду­ говой печи (ОАО "КамАЗ"), индукционной печи (ОАО "ТМЗ"). Стабильные техпроцессы производства отливок из ЧВГ открывают новые перспективы для этого конструкционного материала в различных отраслях народного хозяйства. Помимо расширения облас­ ти устойчивого формирования ВГ в чугуне, предла гаемые технологии отличаются отсутствием пиро эффекта и незначительным дымовыделением (ков шовая обработка), что позволяет достаточно орга нично вливаться в технологическую цепочку произ водства чугунных отливок практически в любом цехе. Список литературы 1. Леках С. Н. Ресурсосберегающие технологии получе­ ния высококачественных чугунов для машиностроитель­ ных отливок. — Мн.: Навуко и тэхника, 1991. — 223 с., ид. 2. Носов В. Н., Носова Л. М. Эксплуатационные свойства чугуна с вермикулярным графитом // Изв. ВУЗов. Чер­ ная металлургия. — 1983. — N ° 10. — С. 101-104. 3. Софрони Л., Рипосан И., Хира И. Некоторые сообра­ жения по кристаллизации чугунов, содержащих графит промежуточной формы (вермикулярного типа): Пер. с румын. —Бухарест: Политехи, ин-т, 1974. 4. Литовка В. И. Повышение качества высокапрочного чу­ гуна в отливках. — Киев: Навукова Думка, 1987. - 206 с., ид. The aim of work is to produce complex inoculanis that would allow expanding the area of stable forma­ tion of compacted vermicular graphite and create a process of stable production of CV graphite iron cas­ tings. Effect of rare-earth metals and alkaline-eortb metals in combination with other chemical elements was investigated. Positive results under the conditions of leading industrial plants have been obtained. Stable processes of manufacturing CV graphite iron castings open new prospects for the application of that structural material in various national economy branches.