Основной причиной возникновения пористости являются газоусадочные раковины, возникающие ввиду высокого содержания азота и шлаковых включений, провоцирующих образование СО в контакте с чугуном. Использование для модифицирования серого чугуна литейного ферросилиция не позволяет рафинировать расплав от примесей и растворённых газов ввиду отсутствия в его составе специальных газосвязывающих элементов, и низкого содержания в его составе активных добавок общего действия (алюминий, кальций). В качестве эффективных добавок в составе ферросилиция могут быть использованы такие элементы как
- цирконий – средний по эффективности модифицирующий элемент, обеспечивающий хорошее снижение отбела и, в частности, контролирующий морфологию графита в чугунах с высоким углеродным эквивалентом; обладает дополнительным преимуществом как элемент, контролирующий содержание азота в чугуне посредством формирования безвредных включений ZrN2.
- стронций, являющийся мощным графитообразующим элементом, провоцирующим графитизацию при очень незначительном переохлаждении и вызывающим образование большого количества центров графитизации; такие модификаторы обладают хорошей стойкостью к «старению» модифицирующего эффекта; другой особенностью циркония является его эффективная способность подавлять отбел при формировании значительно меньшего числа эвтектических ячеек по сравнению с другими модификаторами.
- барий, обладающий сильным модифицирующим воздействием, способствующий образованию графита и повышению времени действия модифицирующего эффекта; при содержании до 3% производит положительный модифицирующий эффект; более высокое содержание может привести к формированию шлаковых дефектов;
- кальций, являющийся средним по эффективности модифицирующим элементом, часто используемым в сочетании с другими модифицирующими элементами; так сочетание бария и кальция может быть особенно эффективно в чугунах с низким содержанием серы;
- церий, содержащийся в мишметалле в количестве не менее 50%, обладает большим сродством к примесям в чугуне (O, N, S и др.), связывают их в нерастворимые оксиды, нитриды и сульфиды, уменьшая количество примесей в расплаве; мелкодисперсные продукты взаимодействия РЗМ с кислородом азотом и серой (модификаторы второго рода) увеличивают количество активных зародышевых центров кристаллизации и существенно влияют на структуру затвердевающих чугунов, измельчая зерно и усиливая межкристаллические связи.
На основе данного прогноза в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» была проведена работа по исследованию эффективности графитизирующих модификаторов на основе ферросилиция на отливках блока цилиндров мод. 2103, 2107, 2106 и 21213.
На первом этапе работы при исследовании микроструктуры блока цилиндров мод. 2103 из чугуна Gh190B, модифицированного ФС75ZrSr (табл. 1), были обнаружены отклонения по форме графита (ГОСТ 3443-87) – преобладание графита типов ПГр7 (розеточное) и ПГр8 (междендритное точечное) вместо типа ПГр1 (равномерное)) и по наличию феррита (до 2…3%).
Таблица 1. Химический состав модификатора ФС75ZrSr
|
Si |
Sr |
Zr |
Al |
Ca |
Fe |
|
73…78 |
0,6…1,0 |
1,0…1,5 |
≤ 0,5 |
≤ 0,1 |
остальное |
Для уточнения результатов действия модификатора ФС75ZrSr были проведены дополнительные исследования отливок разных моделей блоков цилиндров, залитых в этот же период. Были исследованы блоки цилиндров мод. 2103/07, 2106, 21213, отклонения в микроструктуре оказались такими же.
Для сравнения были исследованы блоки цилиндров двух зарубежных изготовителей, а также блоки мод. 21083, заливаемые с модифицированием ФС65Ба1. У всех этих блоков микроструктура соответствует требованиям НД: графит типа ПГр1 – преобладает, ПГр7 и ПГр8 – присутствуют, металлическая основа – перлит.
В соответствии с предположением о том, что полученная структура графита и наличие свободного феррита являются результатом недостаточного модифицирования, для оптимизации процесса модифицирования и улучшения микроструктуры были составлены несколько схем модифицирования с использованием различных модификаторов: ФС75ZrSr, ФС75Ст (табл. 2), ФС65Ба1 (табл. 3) и ФС75 (табл. 4) в сочетаниях с графитом и без него, а также с силикокальцием СК25. Эксперименты проводились при обычном и повышенном содержании серы.
Таблица 2. Химический состав модификатора ФС75Ст
|
Si |
Ba |
Al |
Ca |
Sr |
Fe |
|
72…80 |
≥ 0,5 |
≤ 0,5 |
≤ 0,2 |
0,6…1,5 |
остальное |
Таблица 3. Химический состав модификатора ФС65Ба1
|
Si |
Ba |
Al |
Mn |
Cr |
P |
Fe |
|
60…70 |
0,5…2,0 |
≤ 1,5 |
≤ 0,4 |
≤ 0,4 |
≤ 0,04 |
остальное |
Таблица 4. Химический состав модификатора ФС75
|
Si |
C |
S |
P |
Al |
Mn |
Cr |
Fe |
|
74…80 |
≤ 0,1 |
≤ 0,02 |
≤ 0,04 |
≤ 3,0 |
≤ 0,4 |
≤ 0,3 |
остальное |
Проведение экспериментов было направлено на выявление модификатора, при введении которого изменяется форма графита. Для получения однозначного результата эксперименты повторялись несколько раз. При этом выявлено, что и правильная форма графита и аномальная появляются при использовании всех типов модификаторов. Однако при использовании ФС75ZrSr аномальная форма графита (преобладание графита типов ПГр7 и ПГр8 вместо типа ПГр1) встречается чаще, чем при применении ФС65Ба1. По-видимому, эффект модифицирования сильно зависит как от состояния расплава перед модифицированием, так и от эффективности действия самого модификатора. Для усиления эффекта модифицирования было решено провести эксперимент, увеличив добавку модификатора ФС75ZrSr в два раза (с 0,17% до 0,35%) и этим перекрыть влияние недостатков исходного расплава. В результате получена требуемая структура графита (типа ПГр1).
Влияние повышенного содержания серы на микроструктуру чётко не выражено, а в связи с тем, что при введении ферросеры в ковш появляются неметаллические включения, снижается жидкотекучесть чугуна и возрастает брак по недоливам и газовым раковинам, было принято решение вернуться к исходному уровню содержания серы в расплаве (до 0,06%).
Параллельно проводилась работа по подавлению свободного феррита. Для этого было увеличено содержание по отдельности меди (до 0,4%) и олова (до 0,12…0,13%), или обоих элементов сразу. Положительный результат был получен при одновременном повышении содержания олова и меди. Другим возможным вариантом снижения содержания феррита является уменьшение дозы вводимого модификатора, однако при этом появляется вероятность получения отбела. Для преодоления этого противоречия при заливке блоков цилиндров было проведено вторичное внутриформенное модифицирования литыми вставками на основе ферросилиция с добавлением активных графитизирующих добавок (табл. 5, рис. 1). Наличие в составе модификатора эффективных добавок позволило снизить массу литой вставки до 0,1% от веса жидкого металла в форме.
Таблица 5. Химический состав литых вставок
|
Si |
Al |
Ca |
Mn |
РЗМ |
Fe |
|
70…78 |
0,8…1,8 |
0,3…1,4 |
3,5…4,5 |
³ 0,5 |
остальное |
Заливка опытной партии блоков цилиндров производилась при модифицировании по следующей схеме: в ковш, ёмкостью 1200 кг вводился науглераживатель (графит в зёрнах) и олово, а в форму – литая вставка. Однако улучшения формы графита не произошло. Был сделан вывод, что в качестве графитизирующей добавки в ковш необходимо использование более эффективных модификаторов. Дальнейшая работа проводилась с применением модификаторов ФС75ZrSr и ФС40РЗМ10 (табл. 6).
Таблица 6. Химический состав модификатора ФС40РЗМ10.
|
Si |
Ce |
Al |
Ca |
Fe |
|
36…45 |
9…15 |
≤ 0,8 |
0,4…1,0 |
остальное |
Количество модификатора, вводимого в ковш, варьировалось от 0,5 до 1,0 кг. Изменялось и количество модификатора в литых вставках, применялись вставки массой 100 и 150 г. (табл. 2). Результаты исследований показали, что наиболее приемлемым вариантом являются модифицирование по схеме:
- ФС75ZrSr или ФС40РЗМ10 в количестве 1,0 кг в ковш;
- литая вставка массой 110 г в форму.
В соответствии с этими рекомендациями была проведена заливка опытно-промышленной партии в количестве 58 отливок блоков цилиндров: из них годных 51 шт.
Выводы:
1. Появление аномальной структуры в блоках цилиндров, модифицированных ФС75ZrSr, ФС65Ба1, ФС75, ФС75Ст связано с недомодифицированием расплава.
2. Эффективность действия модификаторов и стабильность процесса модифицирования зависят от исходного состояния расплава (степени переохлаждения).
3. Обработка расплава смесью модификаторов ФС65Ба1+СК25, в состав которых входит барий и кальций, оказывает более сильное графитизирующее воздействие на структуру, по сравнению с модификаторами, содержащими стронций и цирконий.
4. При обработке расплава модификатором ФС75ZrSr происходит более эффективное по сравнению с ФС65Ба1, ФС75Ст, ФС75 измельчение графитовых включений, увеличение эвтектического зерна, уменьшение склонности чугуна к усадке, снижение количества дефектов газо-усадочной пористости и брака по негерметичности.
5. Увеличение содержания одновременно олова (до 0,12%) и меди (до 0,4%) способствует подавлению свободного феррита.
6. Применение комплексного модифицирования: ФС75ZrSr или ФС40РЗМ10 – в ковш и литых вставок – в форму, позволило стабильно получать требуемую микроструктуру в блоках цилиндров.
7. Использование позднего модифицирования даёт возможность снизить количество вводимого в ковш модификатора ФС75ZrSr с 0,35 до 0,08%.
