Российский Сайт Литейщиков













Модификаторы для чугуна и стали Союз-литьё. Украина Литейное производство


Наш опрос:
Нравится ли Вам дизайн Российского сайта литейщиков?






Карта сайта
Техническая информация
Статьи, интервью
Выставки и конференции
Литейный консилиум
Повышение качества литья
Доска объявлений
Каталог предприятий
Статьи, интервью

Статьи, интервью / Чугуны / Исследование свойств чугуна с вермикулярным графитом

Исследование свойств чугуна с вермикулярным графитом

Текст статьи (версия для печати)
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 исследо вании.

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 1,853,88 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.


Комментарии (4) | Вперед     Вернуться к содержанию

Россия, 454901, г.Челябинск,
ул. Водрем-40, строение 25

Пишите нам      

Rambler's Top100