Чугун с вермикулярным графитом в транспортном машиностроении

Кенис М.С.

Металлургия, 2015 г.

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)

K2r = 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.