Чугун с вермикулярным графитом в транспортном машиностроении

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЧУГУНА С КОМПАКТНЫМ ГРАФИТОМ 1.1. ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРУЮЩИХ И МИКРОЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ЧУГУНОВ С КОМПАКТНЫМИ ФОРМАМИ ГРАФИТА

В общем случае свойства чугуна определяются:

• с одной стороны, наличием графита определённой формы (пла­стинчатая, шаровидная, вермикулярная), его количеством (вы­ражаемой степенью графитизации (СГ)), однородностью рас­пределения, размерами;
• с другой стороны, структурой и свойствами металлической матрицы.

Различные химические элементы имеют особенности влияния на указанные выше структурные характеристики чугуна. Поэтому для правильного выбора состава чугуна, технологических параметров его получения и объяснения возможных изменений (всплесков, падений) свойств необходимо вкратце рассмотреть особенности влияния эле­ментов на графитизацию чугуна.

По влиянию на склонность чугуна к графитизации различают элементы:

• способствующие графитизации (выделению свободного графи­та) - Si, Аl, Ti, Сu, Р, Zr (слева направо влияние уменьшается);
• препятствующие графитизации (антиграфитизаторы) - В, Те, Се, Mg, S, V, Cr, Mn, W (слева направо антиграфитизирующее влияние снижается).

Для оценки влияния элементов на графитизацию Гиршович Н.Г. [1] предложил формулы «констант» графитизации на стадии кристал­лизации - индекс 1 и после кристаллизационного охлаждения - ин­декс 2:

к‘_г = С [Si-0,2 (Мп - l,7Si - 0,3) + 0,1Р + 0,4 Ni - 1,2Сr +0,5 А1 +0,2Сu +  0,4 Ti - 0,4 Мо - 2 V - 8 Mg]                                              (1.1)

K²_r = C [Si - 0,2 (Μn - 1,7 Si - 0,3) - 0,2 P -0,25 Ni - 1,2 (Cr + Mo) - 0.8 Cu -4V - 8 Sn]               (1.2)

Из приведённых формул следует, что эффективность влияния элементов существенно различается на стадии кристаллизации и эвтектоидного распада. При этом различия наблюдаются не только ко­личественно, но и качественно. Так, если фосфор, никель и медь в процессе кристаллизации способствуют выделению графита, то на второй стадии - препятствуют. Очевидно, что такие особенности влияния следует учитывать при отработке технологии получения от­ливок из чугуна.

Кратко об особенностях влияния отдельных легирующих элемен­тов на графитизацию и структуру чугуна можно сказать следующее [2]:

Si - обязательный компонент большинства чугунов, способству­ющий графитизации и снижению устойчивости карбидов, сдвигает эвтектическую точку (Е) влево - на 0,1 % С при введении 1 % Si, бла­гоприятствует образованию ферритной металлической матрицы;

Р - снижает температуру эвтектического превращения, тем са­мым повышая жидкотекучесть чугуна (используется при художе­ственном литье). Способствует графитизации чугуна на стадии кри­сталлизации и не препятствует ей при эвтектоидном превращении. При содержании более 0,2 % Р образуется хрупкая тройная фосфидная эвтектика. Повышает хладноломкость, и является, как правило, нежелательным компонентом в чугуне;

S - нежелательная примесь в чугуне, сильный антиграфитизатор, особенно при повышенном содержании Si;

Ni - элемент, хорошо растворяющийся в железе, является слабым графитизатором на стадии кристаллизации чугуна, способствует формированию перлитной металлической матрицы;

Мп - элемент-десульфуратор, связывает серу в сульфиды, снижая её вредное влияние. Растворяясь в аустените, способствует выделе­нию перлита и упрочнению чугуна, при этом содержание Мп должно быть не менее 0,5-0,6 %;

Ti - влияет на графитизацию двояко: при малом содержании спо­собствует выделению мелкодисперсного графита. При увеличении содержания до 0,5 % Ti образует смешанные и собственные карбиды и карбонитриды;

Мо - совместно с Ni способствует формированию бейнитной матрицы и стабилизизации перлита;

Al - сильный графитизатор, стимулирующий формирование фер­ритной металлической матрицы и, при этом, неравномерных конгло­мератов включений графита и окислов (спелей);

Сu - способствует графитизации чугуна на стадии кристаллиза­ции и препятствует ей при эвтектоидном превращении, кинетически стабилизирует перлит, повышает его дисперсность.

1.2.ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ (ЧШГ)

Магний как модификатор в чугуне воздействует на форму графита, а в сталях - на δ-феррит. Действие магния двоякое. С одной стороны магний, как поверхностно-активный элемент (ПАЭ), увеличивает по­верхностное натяжение на границах раздела расплав-воздух, графит- расплав. С другой стороны магний, как элемент, увеличивает переохла­ждение при кристаллизации вследствие поглощения тепла из расплава в процессе его испарения. Сферические центры испарения магния служат центрами выделения графита шаровидной формы. В процессе пере­охлаждения расплава возникает возможность завершения процесса кри­сталлизации чугуна при температуре ниже температуры образования метастабильной аустенито-цементной эвтектики (ледебурита).

Появление ледебурита вынуждает проводить графитизирующий энергозатратный отжиг. Для предотвращения выделения аустенито- цементитной эвтектики в настоящее время проводится дополнитель­ное инокулирующее (графитизирующее) модифицирование, умень­шающее эффект переохлаждения расплава. Наиболее часто на прак­тике в качестве графитизирующего модификатора применяется 75 %- й ферросилиций, содержащий ~ 0,5 % Са и 1,25 % AI.

Однако высокое содержание алюминия может вызвать появление плен и шлаковых включений, снижающих качественные показатели чу­гуна. Поэтому содержание алюминия в модификаторах лимитируется.

Для повышения графитизирующей способности модификаторов в их состав вводятся химически активные к кислороду и сере элементы, такие как Са, Sr, Ва, Zr и РЗМ.

В работе [3, 4] проведено исследование двойного модифицирования:

1. Сфероидизирующее модифицирование (СМ) в ковше лигатурой ЖКМК-4Р, содержащей: Mg 7,7 %; Са 6,7 %; РЗМ 1,2 %; Si 52,1 %; Fe - остальное. После сфероидизирующего модифицирования получен рас­плав чугуна следующего химического состава: С 3,20 %; Si 2,29 %; Μη 0,28 %; S 0,018 %; Р 0,025 %; Сг 0,15 %; Ni 0,03 %; Mg 0,025 %.
2. Графитизирующее модифицирование (ГМ) непосредственно в форме.

В качестве графитизирующих модификаторов рассматривались: FeSi - ферросилиций (75 % Si); SiCa - силикокальций (30 % Са); SiBa - силикобарий (20 % Ва); SiSr - силикостронций (10 % Sr); SiZr - си- ликоцирконий (20 % Zr); силико-РЗМ (30 % РЗМ) и ФСМг2 (2 % Mg). Графитизирующий модификатор вводился в количестве 0,3 % от мас­сы расплава чугуна в форме.

Выполненные исследования позволили ранжировать модифика­торы по степени сфероидизации графита (ССГ) и по влиянию на сте­пень графитизации (СГ). Установлено, что на ССГ в чугуне модифи­каторы SiBa, ФСМг2, SiCa влияют эффективнее, чем SiSr. Модифи­каторы Si-РЗМ и SiZr лишь незначительно увеличивают СГ, поэтому их применение для исключения огбела в отливках нецелесообразно. Вышеуказанные модификаторы весьма значительно уменьшают ко­личество свободного цементита в чугуне. Однако при введении FeSi, как достаточно эффективного графитизирующего модификатора, ССГ в чугуне уменьшается и наряду с шаровидным графитом появля­ется значительная доля графита вермикулярной формы.

Установлена некоторая структурная аномалия в чугунах при вве­дении в расплав сфероидизирующих модификаторов. Так при моди­фицировании FeSi, SiBa, ФСМг2 с увеличением скорости остывания отливок (тонкие сечения отливок) в металлической матрице форми­руется большее количество феррита, чем в толстых частях, где ско­рость остывания ниже. В свою очередь SiCa и SiSr ведут себя иначе - количество феррита в металлической матрице увеличивается по мере снижения скорости охлаждения отливок в зоне эвтектоидного пре­вращения. Аномальный характер увеличения количества феррита при высокой скорости охлаждения обусловлен тем, что вышеперечислен­ные модификаторы резко увеличивают число ЦКГ при высоких ско­ростях охлаждения. Выделение из металлической матрицы большого количества графитовых включений приводит к её обеднению углеро­дом и уменьшению количества перлитной составляющей.

Таким образом, SiSr, Si-РЗМ и SiZr являются малоэффективными модификаторами для внутриформенного графитизирующего моди­фицирования (ГМ). В то же время SiBa, ФСМг2 и SiCa существенно повышают ССГ и значительно снижают отбел в структуре чугуна. FeSi как графитизирующий модификатор оказывает более слабое влияние на ССГ.

Модели кристаллизации шаровидного графита в чугуне доста­точно подробно изложены в работах Жукова А.А. [5], Бунина К.П., Тарана Ю.Н. [6], Ващенко К.И., Софрони Л. [7], Гольдштейна Я.Е., Михайлова А.М. и др. В вышеперечисленных работах были установ­лены некоторые общие особенности строения шаровидного графита:

• имеет сложное строение подобно пластинчатому графиту, од­нако слои образуют сферу;
• имеются большеугловые границы наклона кристаллитов двой­никового типа, образующих сферолиты;
• шаровидный графит - поликристалл, состоящий из кристалли­тов пирамидальный формы с вершинами в центре включения;
• шаровидный графит - слоистый монокристалл.

При этом кристаллизация графита может протекать как по гете­рогенному, так и по гомогенному механизму.