Исследование свойств чугуна с вермикулярным графитом

В.А. Изосимов, к.т.н., НПП Технология, доцент (ЧГАУ)


Исследование свойств чугуна с вермикулярным графитом

В статье представлены результаты исследований, проведенных автором на отечественных и зарубежных предприятиях по получению чугуна с вермикулярным графитом. Применение этого типа чугуна перспективно для изготовления отливок в тракторной и автомобильной промышленности.

Перспективы применения чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) в машиностроении обусловлены рядом экономических, технологических и эксплуатационных преимуществ в сравнении с традиционными литейными сплавами. По экономичности отливки из ЧВГ близки к чугуну с шаровидным графитом (ЧШГ) и несколько уступают лишь чугуну с пластинчатым графитом (ЧПГ), значительно превосходя все другие виды сплавов на основе железа.

Высокие литейные свойства ЧВГ обеспечивают получение тонкостенных легален сложной конфигурации и позволяют производить отливки без усадочных раковин, неметал лических включений, трещин, других литейных дефектов и с достаточной размерной проч ностью. По уровню технических свойств (табл. I ) ЧВГ близок к ЧШГ Основные факторы повышения его механических свойств по сравнению с ЧПГ - большая толщина и закругленность графитовых пластин, что уменьшает концентрацию внутренних напряжений по границам "графит-матрица". Уступая ЧШГ по основным механическим характеристикам, ЧВГ компенсирует это лучшими литейными свойствами, меньшей склонностью к отбелу и образованию литейных дефектов в отливках.

Из-за большего количества графитовых включений отливки из ЧВГ чаше всего приме няют с литой структурой и подвергают термообработке реже, чем ЧШГ. Увеличение относительного количества шаровидного графита в структуре ЧВГ приводит к существенному повышению прочностных характеристик.

По ряду свойств: тепло и температуропроводности, электросопротивлению - ЧВГ ближе к ЧПГ, чем к ЧШГ. Износостойкость ЧВГ в условиях трения качения значительно выше, чем ЧПГ. Термостойкость ЧВГ с увеличением в структуре шаровидного графита с 15 до 45 % (в соответствии с ГОСТом) возрастает. Это важно, например, для головок цилиндров дизелей, деталей гидроаппаратуры и других, работающих под давлением жидкой среды

Основная область применения отливок из ЧВГ сосредоточена в авто и тракторостроении, например: маслопроводы для тракторов, опорные детали головки цилиндров тяжелых грузовиков, крепежные детали рам грузовиков, тормозные рычаги тракторов, монтажные кронштейны балластных грузов трактора, бандажные кольца шестерен грузовика, монтажные детали двигателей ножей тракторов, корпуса промежуточных зубчатых передач, тор мозные кронштейны и т.д Масса отливки 0,4...40 кг и более при толщине стенок до 50мм.

За рубежом (в Германии, Японии, США) из ЧВГ производят отливки ответственных деталей судовых двигателей, головки цилиндров крупных морских дизельных двигателей внутреннего сгорания, втулки цилиндров, поршни для судовых двигателей. Их масса дости гает 1000 кг (1).

Успешно ведется работа по испытанию отливок поршней из ЧВГ для форсированных дизельных двигателей на Минском моторном заводе. Результаты исследовательских работ, проведенных автором в Гентском университете (Бельгия) и на Уральском автомобильном заводе (г. Миасс), свидетельствуют о перспективности использования ЧВГ как материала для широкой номенклатуры автомобильных отливок

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики трех видов чугунов: ЧПГ, ЧВГ и ЧШГ, в табл. 2 физико-механические характеристики ЧВГ.

Выбор модификатора. Линейная модель для оптимизации типа модификатора для ЧВГ выбиралась с помощью математического моделирования. Во внимание принималось получение в структуре вермикулярного графита и требуемых механических свойств. Иссле довали ряд модификаторов с глобуляризирующим. и антиглобуляризируюшим действием элементов типа Fe - Si - Mg - Ti - Ca - Ce .

Таблица 1. Технические свойства чугунов

.Свойства	ЧПГ	ЧВГ	ЧШГ
Предел прочности при растяжении σ В , МПа	100-400	300-600	350-900
Предел текучести с σ Т , МПа	-	250-400	250-600
Относительное удлинение -д , %	<1,0	1,5-8,0	3-25
Ударная вязкость КС, кДж/см2	5	30	10-200
Твердость НВ	140-300	140-240	140-250
Плотность р, кг/м3	7000-7500	7000-7200	7100-7300
Модуль упругости Е-з10-3 МПа	75-155	140-170	165-185
Теплопроводность, Вт/см2-зК	0,46-0,59	0,38-0,50	0,25-0,38
Коэффициент терморасширения, -б	10-12-з106	12 -з106	9-12 -з106
Электросопротивление R, мкОм/м	0,45-1,2	0,7-0,8	0,5-0,7
Линейная усадка. %	1,0-1,2	0,9-1,1	0,7-1,0
Объемная усадка, %	1-3	1-5	7-10

Таблица 2. Физико-механические характеристики ЧВГ

Структура	Свойства
	σ В , МПа	-д , %	Твердость, НВ
Ферритная: литое состояние после отжига	360-410 360-410	5,0-7,0 3,0-4,0	150-160 150-170
Перлитно-ферритная (литое)	450-500	2,0-3,0	170-200
Перлитная (после нормализации)	530-580	1,5	300
Бейнитная (после изотермической закалки)	740-790	2,0	400

В табл. 3 приведены химические составы модификаторов, использованных в исследовании.

Таблица 3. Химический состав модификаторов

Модификатор	Mg	Ti	Са	Се	А l	Si	Fe	Соотношение Ti/Mg
1	2,0	7,76	0,95	0.26	0.52	47,4	Ост.	3,88
2	2,27	4,20	0,46	0,28	0,72	45,2	Тоже	1,85
3	0,30	2,77	0,61	0,29	0,65	45,7	-"-	9,23
4	4,83^	4,44	0.58	0,25	0,55	45,2	-"-	0,92

Чугун выплавлялся в индукционной печи ИСТ-0,16 с основной футеровкой. Базисный материал имел следующий химический состав, %: С — 3,4...3,6; Мn— 0.7...0,75; Si — 1,85...2,05; Р <0,05; Cr < 0,15; S < 0,018. Температура выпуска чугуна из печи составляла 1410-1430 -аС.
Чугун обрабатывали магнийсодержащими лигатурами, укладываемыми на дно чайни кового ковша. Вторичное модифицирование чугуна осуществлялось в открытом ковше ферросилицием ФС75 в количестве 0,5%. Время отстаивания чугуна в ковше составляло около трех минут.

На рис. 1 и 2 представлены структуры вермикулярного графита до и после травления .
рис. 1 Шлиф нетравленый, увеличение х100 рис. 2 Шлиф травленный, увеличение х100
Выбор факторов. При исследовании использовали метод планирования двухфакториого эксперимента. На основе имеющихся результатов опыта были установлены следующие факторы:

а) постоянные:

- шихта и ее химический состав:

- гранулометрический состав модификатора ФС75 (2,5...3 мм);

- температура выпуска чугуна индукционной печи (1410...1430-аС);

- время выдержки металла в ковше после первичного и вторичного модифицирова ния (2... 3 мин);

- технология модифицирования;

б) изменяемые технологические факторы:

- соотношение концентраций Ti / Mg в предложенных модификаторах ( X 1 ) (табл. 3):

X 1 - l — 3,88+1; X 1 -2 — 1,85—1; X 1 -3 — 9,23 — 1; X 1 -4-0,92+1;

- вводимый модификатор, Х2, %:

X 2 - 0,55+1; X 2 -0,90 — 1; Х2- 1,25+1: Х2-1,60 — 1

После выбора уровней варьирования для двух факторов составлялась матрица плани- рования. При ее составлении исходили из того, что в данном -эксперименте были исчерпаны все возможные комбинации значений факторов на верхнем и нижнем уровнях.

Необходимое число вариантов опыта 24 = 16. В табл. 4, 5, 6 представлены матрицы планирования для двух факторов.

Таблица 4. Матрица планирования и результаты эксперимента (количество вермикулярного графита, %)

вфЖ п/п	Уровни		Х0	Х1	Х2	Х1Х2	Y1N	YIIN	YIIIN	YN
	Х1	Х2
01 02 03 04	3,88 1,85 3.88 1,85	0,55 0,90 0,90 0,55	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	- - - -			- - - -
05 06 07 08	0,92 9,23 0,92 9,23	0,55 0,90 0;90 0.55	+ + + +	+ - + -	+ + - +	+ + - -	- - - -			- - - -
09 10 11 12	3,88 1,85 3,88 1,85	1,25 1,60 1,60 1,25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ - - +	90 95 85 95	90 85 80 100	100 90 90 90	95 90 85 95
13 14 15 16	0,92 9,23 0,92 9,23	1,25 1,60 1,60 1,25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	95 - 95 -	90 100	95 90	90 - 95 -

Таблица 5. Матрица планирования и результаты эксперимента НВ (твердость)

вфЖ п/п	Уровни		Х0	Х1	Х2	Х1Х2	Y1N	YIIN	YIIIN	YN
	Х1	Х2
01 02 03 04	3,88 1.85 3,88 1,85	0,55 0,90 0,90 0,55	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	!56 !79 149 178	151 172 151 171	153 173 146 172	153,3 174,6 148,6 173,6
05 06 07 08	0,92 9,23 0,92 9.23	0,55 0,90 0,90 0,55	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	159 148 161 141	163 146 165 143	165 149 160 140	162,3 147,6 162 141,3
09 10 11 12	3,88 1,85 3,88 1,85	1,25 1,60 1,60 1,25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	212 207 218 203	215 210 220 204	211 204 221 206	212,6 208,6 219,6 204,3
13 14 15 16	0,92 9,23 0,92 9,23	1,25 1,60 1.60 1,25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	227 149 231 143	223 146 232 145	225 145 230 142	225 146,5 231 143,3

Таблица 6. Матрица планирования и результаты эксперимента σВ , МПа

вфЖ п/п	Уровни		Х0	Х1	Х 2	Х1Х2	Y 1 N	YIIN	YIIIN	YN
	Х1	Х2
01 02 03 04	3,88 1,85 3.88 1,85	0,55 0,90 0,90 0.55	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	182 292 189 248	184 288 196 254	176 285 188 242	180,6 288,3 191,0 248
05 06 07 08	0,92 9,23 0,92 9,23	0,55 0,90 0,90 0,55	+ + + +	+ - + -	+ + - +	+ + - -	216 199 232 184	2i I 203 227 190	219 200 230 182	215,3 200,6 229,6 185,3
09 10 11 12	3,88 1,85 3,88 1,85	1,25 1,60 1,60 1,25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	465 503 492 505	462 511 495 496	465 512 489 499	464,0 508,6 492,0 500,0
13 14 15 16	0,92 9,23 0,92 9,23	1.25 1,60 1.60 1.25	+ + + +	+ - + -	+ - - +	+ + - -	491 189 495 209	486 192 482 212	480 188 489 215	485,6 189,6 488,6 212,0

Для статистической обработки результатов действия отдельных факторов на количест во вермикулярного графита в структуре чугуна (ВГ), %; твердости, НВ; сопротивления при растяжении σВ приведены значения среднеарифметического в трех измерениях отдельных факторов.

В зависимости от числа изучаемых факторов , определяющих процесс, уравнение рег рессии имеет вид:

y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 2 x 2 + b 1,2 x 1 x 2 , где

где x 1 и х2 - значения факторов; b 0 - свободный член, равный выходу при xi = 0; е, b 1 b 2 - ко эффициенты регрессии соответствующих факторов, указывающие на влияние того или ино го фактора на изучаемый процесс; b 1,2 - коэффициенты регрессии при произведениях факто ров, свидетельствующие о наличии двойного взаимодействия между факторами, у - иссле дуемый параметр.

Для ВГ уравнения регрессии имеют вид:

у = ВГ1-4; у = ВГ5-8; у = ВГ9-12 = 91,2 - 1,25 x 1 + 3,75 x 2 + 1.25 x 1 х2;
у = ВГ13-16 = 46,2 + 46,2х1 - 1,25х2 - 1,25х1х2

Для НВ уравнения рет рессии имеют вид:

у = НВ1-4= 162,5- 11 , 6 x 1 +0,92х2+ 1,42 x 1 х2;
y = HB 5-8 = 153 + 8,85 x 1 — 1,5х2 + 1,65х1х2;
у = НВ9-12 = 21 1,2 + 4,82х1 + 2,82х2 - 0,67 x 1 х2;
у = НВ13-16 = 186,4 + 41,5 x 1 - 2,3х2 — 0,7 x 1 х2.

Для σВ уравнения регрессии имеют вид:

У 1-4 = σВ = 227-411 x 1 — 12,7х2 + 7,48 x 1 х2;
У5-8 = σВ = 207,7 + 14.8 x 1 — 7,4х2 + 0,25 x 1 х2;
У9-12 = σВ = 491-13,15 x 1 - 9,15х2-3.85х1х2;
У 13-16 = σВ = 344 - 143 x 1 + 4,85х2 - 6,35 x 1 х2.

Оценка значимости коэффициентов регрессии осуществлялась для уровня достоверно 95 % Коэффициент Стьюдента для уровня достоверности 95 % и восьми степеней свободы t 95 (8) = 2,31. В нашем примере все коэффициенты значимы (дисперсии адекватности !коэффициентов регрессии). Сравнивая S ад 2 с S 2 (у) - дисперсией воспроизводимости, по критерию Фишера оценивали возможность отбрасывания членов парных взаимодействий. Fpac ч = S ад 2 / S 2 ( y ); при Fpac ч < F ад ( f 1 ; f 2 ) условие выполняется и предложенная математическая модель адекватна опытным данным.

Из анализа опытных данных и полученных математических моделей вытекает, что линейная математическая модель со сравнительно симметричными коэффициентами регрессии получена в опытах 09... 12.

Стабильные результаты по получению вермикулярного графита на двух уровнях полу чены при вводе модификаторов 1 и 2 (см. табл. 3), что вытекает из коэффициентов регрессии b 0 , b 1 , b 2 , b 1,2 при рассмотрении трех исследуемых качеств, прочности, твердости и количест ва вермикулярного графита.

В производственных условиях изготовляли отливку корпус цилиндра для дизельного двигателя При модифицировании использовали модификатор 2. Чугун выплавляли в индукционной печи ИЧТ-100 с кислой футеровкой. Состав шихты, %: С- 3,56; Si - 1,99; Р- 0,03; Cr -0,25; Мп — 0,73; S - 0,018; С u - 0,09; Ni - 0,14.

Накопленный опыт по производству чугуна с вермикулярным графитом свидетельствует о том что исходный чугун должен иметь высокий углеродный эквивалент (СЕ = 4,0...4,7), низкое содержание серы (< 0,02 %) и кислорода, содержание марганца и фосфора допускается такое же как и для чугуна с шаровидным графитом. Оптимальная форма графита получа ется при остаточном содержании магния в чугуне 0,015... 0,03 %.

На Уральском автомобильном заводе разработаны и опробованы технологии производ ства отливок из ЧВГ: "Картер раздаточной коробки", "Тормозной барабан", "Маховик", "Картер редуктора лебедки", "Картер сцепления".

Статическая прочность раздаточной коробки из ЧВ1 при стендовых испытаниях оказа лась выше прочности серийных коробок из серого чугуна как при положительных, так и при отрицательных температурах (минус 45-55-аС).

При четырех-пятикратном нагружении на автомобиль броском педали сцепления при заблокированных рабочих тормозах раздаточные коробки с картерами из ЧВГ не разрушаются. Серийные коробки из серого чугуна в идентичных условиях при испытаниях разрушались.

Стендовые испытания редуктора лебедки из ЧВГ показали, что ее прочность находится на уровне серийной продукции из стали 35Л. Кроме того, снижается металлоемкость формы на 10 кг. В результате получен значительный годовой экономический эффект.

В настоящее время разработана технология получения детали "поршень" для трактора ЧТЗ из ЧВГ взамен детали из алюминиевого сплава.

После реконструкции чугунолитейного цеха представляется перспективным организовать производство отливок из ЧВГ, обладающего одновременно достаточно высокими механическими и эксплуатационными свойствами и хорошими литейными и теплофизическими характеристиками.

Список литературы:
1. Королев С.П. Особенности и перспективы изготовления отливок из чугуна с вермикулярным графитом // Литейное производство, 1998, вфЖ12, с. 37-39.
2. Bechny Lubomir, Die Anwendung eines mathematischen Modelles zur Auswahl des Modificators, Giessereitechnik. 35 Jahrgang. Heft 10, 1989. S. 302-305.