Проведён первый этап комплексных работ в ЧЛП ОАО «АВТОВАЗ» по апробации технологии модифицирования «сэндвич-процесс» для получения деталей из высокопрочного чугуна средних марок. Разработана видоизменённая конструкция футеровки ковша, произведёны расчёт и проектирование реакционной камеры для засыпки модификатора и покровного материала. По данной технологии была изготовлена партия отливок маховика для переднеприводных автомобилей (толщина стенки отливки dст = 16 мм). Структура и свойства полученных отливок соответствуют всем нормативным требованиям. Дальнейшие работы направлены на повышение металлоёмкости заливочного ковша (с 800 до 1100 кг).
Проведение инокулирующей обработки расплава чугуна для придания графиту шаровидной формы является одной из самых важных и ответственных стадий технологического процесса получения отливки. Способ проведения сфероидизирующей обработки выбирается, исходя из многих факторов. Причём к основным ключевым факторам необходимо, прежде всего, отнести степень усвоения элементов при обработке расплава и выход годного. В свою очередь на усвоение элементов, входящих в состав сфероидизирующих модификаторов, оказывают влияние: температура выдачи расплава из печи; марка и размер фракции используемого сфероидизирующего модификатора; объём обрабатываемого расплава чугуна; скорость заполнения кармана ковша с модификатором; способ обработки.
В настоящее время из трёх групп методов сфероидизирующей обработки чугуна (модифицирование в ковше, модифицирование в форме и модифицирование стальной проволокой с наполнителем) при производстве заготовки детали «маховик» (рис. 1) для переднеприводных моделей автомобилей в условиях чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ» из высокопрочного чугуна Gh 56-40-05 (табл. 1-3) применяется ковшевое модифицирование с использованием «тяжёлой» Ni-Mg-Ce-лигатуры.
Химический состав чугуна и модификатора приведены в табл. 1 и 2, механические свойства чугуна: sв ³ 56 кгс/мм2, d ³ 5%, НВ 180…250.
Эта технология обеспечивает высокую степень усвоения магния (до 80…90%) и позволяет получать чугун с шаровидным графитом, отличающийся высокой стабильностью структуры и свойств. Помимо этого, содержащийся в лигатуре никель (табл. 2), оказывает благотворное влияние на весь комплекс механических свойств [1] как при комнатной, так и при повышенной температурах.
Протекание достаточно сильного пироэффекта и дымовыделения [2] при обработке расплава магнийсодержащими модификаторами лигатура Ni-Mg-Ce отличается довольно низкой пироактивностью.
Однако высокая стоимость этой никельсодержащей лигатуры даже при невысокой норме расхода (0,4% от массы расплава) вызывает повышение себестоимости получаемой детали.
Поэтому, представляет интерес корректировка существующей технологии модифицирования для обеспечения требуемой структуры и свойств высокопрочного чугуна с использованием безникелевой низкопроцентной магниевой модифицирующей добавки [3].
Одним из наиболее перспективных и экономичных способов ковшевого модифицирования чугуна с использованием низкопроцентных магниевых лигатур является «сандвич-процесс».
1. Ориентировочный химический состав чугуна в ковше, % масс.
|
C |
Si |
Mn |
Cr |
Cu | |||
|
3,6…3,8 |
1,9…2,0 |
0,4…0,5 |
≤ 0,07 |
≤ 0,4 | |||
|
Cu+Ni |
P |
S |
Sn | ||||
|
0,50…0,85 |
≤ 0,06 |
≤ 0,017 |
≤ 0,04 | ||||
2. Химический состав модификатора, % масс.
|
Основные элементы |
Примеси, не более | |||||||
|
Ni |
Mg |
Ce |
C |
S |
Cu |
Fe |
Mn |
Σ |
|
ост. |
14…17 |
0,4…0,6 |
0,5 |
0,003 |
0,4 |
1,0 |
0,04 |
1,5 |
При таком процессе модифицирования в заливочном ковше изготавливается специальный карман для «лёгкой» лигатуры с запасом пространства в верхней части под присыпку из мелкой стальной высечки. Учитывая тот факт, что модификатор будет вводиться в нагретый ковш, для засыпки используется загрузочная труба с воронкой (раструбом).
Этот способ позволяет: обеспечить регламентируемое время заливки; задержать всплытие модификатора в процессе наполнения ковша, так как его плотность меньше плотности расплава; создать необходимую площадь реакции лигатуры с жидким чугуном; охладить чугун перед началом реакции с лигатурой, что оказывает положительное влияние на степень усвоения магния (до 50…60%).
При проведении опытной работы, карман для модификатора был изготовлен в форме асимметричного усечённого конуса в центре пода футеровки ковша (рис. 2) и расположен таким образом, чтобы наклон самой длинной образующей был направлен в сторону носка ковша. Центровое расположение кармана обеспечивает постепенный подъём металла при заполнении ковша и предохраняет засыпку модификатора от попадания в неё струи расплава.
Расположение кармана в центре днища позволяет избежать прямого попадания на модификатор струи расплавленного чугуна из печи ожидания.
При расчёте объёма реакционной камеры были использованы следующие исходные данные:
Максимальный угол наклона образующей - 75°.
Масса расплава в ковше - 800 кг.
Масса модификатора - 1,2% от массы расплавленного металла.
Плотность модификатора (типа ФСМг6) - 2250 кг/м3.
Масса стальной высечки - 0,3% от массы расплавленного металла.
Соотношение высоты кармана к диаметру верхнего основания - 1,15.
Коэффициент, учитывающий разную величину гранул и несплошности в объёме насыпки модификатора - 1,15…1,20.
Расчётный объём карман ковша составил 4500 см3, а с учётом поправочного коэффициента - 5300 см3. Карман ковша подобранными размерами реакционной камеры представлены на рис. 3.
Химический состав чугуна в ковше и используемого модификатора типа ФСМг6 представлен в табл. 3, 4.
3. Химический состав чугуна в ковше, % масс.
|
C |
Si |
Mn |
Cr |
|
3,56 |
2,49 |
0,43 |
0,057 |
|
Cu |
Cu+Ni |
P |
S |
|
0,32 |
0,62 |
≤ 0,02 |
≤ 0,006 |
4. Химический состав модификатора ФСМг6, % масс.
|
Si |
Mg |
РЗМ |
Ca |
Al |
Fe |
|
47…48 |
5,5…6,2 |
0,8…1,2 |
0,8…1,2 |
макс. 1,0 |
ост. |
Было залито 3 формы (по 4 отливки в каждой): первая - сразу после окончания пироэффекта в ковше, вторая - через 7 минут и третья - через 10 минут. Механические свойства опытных отливок: sв = 56…61 кгс/мм2 , d = 4…8%, НВ 207…224.
Исследования показали, что чугуны, полученные обработкой Ni-Mg-Ce-лигатурой или модифицирующей добавкой типа ФСМг6, практически равноценны, несмотря на различный химический состав таких чугунов с шаровидным графитом, в первую очередь по содержанию никеля. Можно заключить, что получаемые отливки, имея идентичные механические свойства, сохраняют свою эксплуатационную надёжность.
По результатам сравнительного анализа состава, структуры и свойств отливки маховика из высокопрочного чугуна, полученного посредством ковшевой обработки расплава лигатурой Ni-Mg-Ce и модификатором типа ФСМг6 с использованием «сандвич-процесса», последняя рекомендована к использованию в условиях чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ».
Основным фактором, сдерживающим внедрение данной технологии, является особенность ведения модифицирования: при изготовлении кармана для модификатора возникает необходимость увеличивать толщину пода футеровки ковша. При этом с учётом рассчитанных размеров кармана металлоёмкость ковша снижается на 400 кг, что является недопустимым в условиях массового производства ввиду падения производительности литья. Однако проведение данной работы явилось первым этапом по отработке технологии «сэндвич-процесс» в условиях чугунолитейного производства, и в задачи входило, прежде всего, получение отливок из чугуна Gh 56-40-05 с необходимыми нормативно-техническими характеристиками. В настоящее время для успешного применения технологии «сандвич-процесс» в условиях чугунолитейного производства ведутся работы по обеспечению требуемого объёма реакционной камеры с минимально возможной потерей металлоёмкости заливочного ковша (до 100 кг).
литература
1. Поддубный А. Н., Александров Н. И., Кульбовский И. К., Макаренко К. В. Выбор состава высокопрочного чугуна для получения мелющих шаров прокаткой и литьём в кокиль // Литейное производство. 1997. №5. С. 22.
2. Бех Н. И. Эффективность применения отливок из высокопрочного чугуна в большегрузных автомобилях // Литейное производство. 1991. №7. С. 2-5.
3. Макаревич А. П., Фесенко А. Н., Фесенко М. А. Влияние способа ввода модификатора на структуру высокопрочного чугуна // Литейное производство. 2004. №9. С. 3-6.
