Специальные потребительские свойства высокопрочного чугуна позволяют предприятию расширить сферы его применения и в конечном итоге – освоить новые рынки сбыта.
Универсальный
Универсальный Металл
Специальные потребительские свойства
высокопрочного чугуна позволяют предприятию
расширить сферы его применения и в конечном
итоге – освоить новые рынки сбыта.
Михаил Волощенко, д.т.н. профессор, директор
Института высокопрочного чугуна и комплексных
модификаторов УАННП
Уже давно человечество пыталось создать
универсальный металл, который имел бы широчайший
диапазон применения и работал в различных,
весьма сложных условиях. И такой металл был
создан. Это – высокопрочный чугун (ВЧ) или чугун с
шаровидным графитом (ВЧШГ). Имея уникальную
структуру и комплекс свойств, этот сплав
достаточно быстро занял видное место в
производстве изделий различного назначения. ВЧ
может использоваться вместо литой и кованой
стали, серого и ковкого чугунов. А диапазон его
применения простирается от поршневых колец до
тюбингов метро и контейнеров для ядерных
отходов.
Применение и производство ВЧШГ
В отечественной и зарубежной практике
имеется множество примеров, характеризующих
большую эффективность применения ВЧ вместо
других металлических материалов.
На 60-м Международном конгрессе
литейщиков приводился пример, когда при чистом
весе грузовой машины 9т из ВЧШГ изготовливалось
около 1000 кг литых деталей. Отмечалось, что при
уменьшении толщины отливок из ВЧ и переводе
части стальных сварных деталей на этот чугун вес
автомашин может быть снижен еще на 100-300 кг.
На заводах фирмы OPEL (Германия) за счет
использования ВЧ снижен вес дизельных
двигателей на 26%. Замена стальной
сварно-штампованной конструкции картера заднего
моста для тяжелых грузовиков, кроме снижения
себестоимости на 32%, позволила увеличить на 50%
нагрузку на задний мост грузовика. Фирмой
"Мерседес-Бенц" ежегодно производится 100-120
тыс. мостов примерно 40 различных модификаций при
его массе от 130 до 200 кг из высокопрочного чугуна
марки GGG-60.
Из высокопрочного чугуна
изготавливались станины электродвигателя
2ВВР112-12 (снижение трудоемкость их изготовления в
три раза), тормозные барабаны (увеличение
долговечности в три раза), тормозные диски,
тормозные колодки для моторных вагонов
электропоездов и для локомотивов (увеличение
долговечности, уменьшение износа бандажей и
гребней колес), трубы (снижение металлоемкость на
30-40%, увеличение срока службы).
Для СНГ, например, актуальной задачей
является производство контейнеров из ВЧШГ для
хранения и транспортировки радиоактивных
отходов атомных электростанций. Размер таких
отливок: высота до 5 м, диаметр до 3 м. Стоимость
одной отливки корпуса для контейнера составляет
более DM 400 тыс. В США при замене 500 шт. контейнеров
из нержавеющей стали на ВЧШГ получили эффект
более $2 млрд.
В последние годы в развитых странах мира
широкое применение приобретает бейнитный
высокопрочный чугун с шаровидным графитом (БВ
ЧШГ), получаемый изотермической закалкой в
соляных ваннах или закалкой в масле с
последующим отпуском.
Однако в Украине этот материал известен
давно. Еще в 1958-1966гг. Институтом проблем литья АН
УССР совместно с Харьковским моторостроительным
заводом "Серп и Молот" был проведен большой
объем исследовательских работ, позволивший
впервые в мировой практике разработать и
внедрить новый технологический процесс
массового производства высоконагруженных литых
коленчатых валов для тракторных и комбайновых
двигателей. И уже в 1970г. было произведено 65 тыс.
штук изотермически закаленных коленчатых валов
из БВЧШГ. В связи со сложностью механической
обработки коленчатых валов с бейнитной
структурой в тот период (в настоящее время в
результате создания новых режущих материалов
такая задача решается более просто) основная
масса этих деталей производилась из чугуна с
бейнито-ферритной структурой, получаемой путем
закалки из промежуточной области, т.е. с
температур одновременного существования и фаз.
Твердость такого чугуна находилась в пределах
229-269 НВ (чугун ВЧ70-3-2), и особых сложностей при
механической обработке отливок не существовало.
Кроме значительного выигрыша в уменьшении
трудоемкости изготовления и повышения
износостойкости коленчатых валов, сэкономлено
дефицитного проката около 200 тыс.т.
Износостойкость коленчатых валов из бейнитного
чугуна примерно в 3 раза выше износостойкости
коленчатых валов из стали 45Г2, а из
бейнито-ферритного чугуна – в 2 раза.
В США, по данным за 1995г., 22% общего выпуска
отливок из бейнитного ЧШГ использовалось при
производстве грузовых автомобилей, 18% – в
горнодобывающей промышленности, 14% – на
железнодорожном транспорте, 8% – в
сельскохозяйственном машиностроении, 3% – в
военной технике и 17% – в других отраслях.
Из БВЧШГ производят высоконагруженные и
ответственные детали, такие, как коленчатые валы,
колеса для вагонов и локомотивов, шестерни,
зубчатые колеса и многое другое. Производство
литых колес и шестерен из БВЧШГ обходится на 30-50%
дешевле, чем при производстве их из легированных
марок стали. Можно предположить, что мелющие тела
из этого чугуна будут отличаться высокой
износостойкостью и найдут широкое применение.
Для получения бейнитного чугуна при
помощи термической обработки разработаны
комплексные модификаторы, которые при ковшевой и
внутриформенной технологии модифицирования
позволяют получать в отливках перлитную
металлическую основу, а Институтом проблем
материаловедения НАН Украины – режущий
инструмент для механической обработки деталей
из БВЧШГ.
Институтом высокопрочного чугуна и
комплексных модификаторов (ИВЧКМ) разработано 4
марки БВЧШГ, модифицированного
кальцийсодержащими комплексными
модификаторами, которые при прочих равных
условиях позволяют получать бейнитный чугун с
более высоким относительным удлинением,
особенно при прочности 1400 Н/мм2. Высокопрочные
кальцийсодержащие чугуны имеют еще одну важную
особенность. Они, в отличие от серого чугуна и
магниевого чугуна со смешанной, шаровидной и
компактной формой графита, в толстостенных
отливках поддаются огневой резке, электросварке
для соединения между собой нескольких отливок,
наплавке и заварке дефектов.
Как видим, человечество получило
изумительный сплав, свойства которого и область
применения до конца не исчерпаны. Западные
страны в полной мере используют преимущества
ВЧШГ, и поэтому объемы производства его там
непрерывно растут. Из информации, представленной
Европейским комитетом по литейной продукции и
материалам "CEMAFON" на 63-м Международном
конгрессе литейщиков (г. Будапешт, сентябрь 1998г.),
следует, что 15 стран произвели в 1996г. около 12 млн.т
ВЧШГ. Лидерство в мире по производству этого
конструкционного материала принадлежит США,
Японии, Китаю, Германии, Франции.
В СССР объем производства
высокопрочного чугуна в 1960г. составлял 16,0 тыс.т, в
1970г. – 218,0 тыс.т, в 1975г. – 250,0 тыс.т, в 1980г. – 321,9
тыс.т, в 1985г. – 513,2 тыс.т, а в 1990г. – 650,0 тыс.т.
Постановлением руководящих органов страны №859
от 23 июля 1987г. "Металлоемкость"
предусматривалось довести производство
высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
(ВЧШГ) в 1995г. до 3,5 млн.т, а в 2000г. – до 5,0 млн.т, а
производство труб из этого чугуна в 2000г. – до 1
млн.т.
В настоящее время в странах СНГ, в
отличие от многих других стран, произошло резкое
сокращение производства такого ВЧШГ, и это
отрицательно повлияло на всю экономику.
История изобретения
Cообщения о ВЧШГ впервые были сделаны
практически одновременно американцем K.Mills и
англичанином H.Morrogh 7 мая 1948г. в Филадельфии на
съезде американской ассоциации литейщиков. Их
изобретения отличались тем, что в первом случае
эффект сфероидизации графита в чугуне был
достигнут при вводе в чугун магния (сплав 80%
никеля и 20% магния), а во втором – при вводе церия.
В конце 1948г. International Nickel Co., в которой
работал K.Mills, подготовила официальное
представление о патентовании способа
производства чугуна с шаровидным графитом.
Первая лицензия была датирована 20 декабря 1948г., а
в течение 1949г. в США было выдано уже 50 лицензий.
4 мая 1946г. H.Morrogh и W.Williams направили в журнал
"Iron and Steel Institute Papers" статью о форме графита в
чугуне, Ni-C и Co-C сплавах, опубликованную в 1947г.
Анализируя указанную статью, можно
сделать вывод, что изложенные в ней материалы еще
в тот период, т.е. более 50 лет назад, могли
послужить основанием для использования вместо
магния в качестве модификатора для чугуна
кальцийсодержащие комплексные модификаторы.
Первая статья в Советском Союзе,
посвященная высокопрочному чугуну с шаровидным
графитом ("Сверхпрочный чугун со
сфероидальным графитом", автор Б.Мильман), была
опубликована в журнале "Вестник
машиностроения", №12, 1949г.
В 1950г. были опубликованы инструктивные и
методические указания на технологию получения
чугуна с глобулярным графитом (сверхпрочный
чугун), авторы А.Василенко и И.Григорьев, а также
инструкция по технологии получения чугуна со
сфероидальным графитом в литой структуре и
характеристика его свойств (автор Б.Мильман).
Исследования в области высокопрочного
чугуна с шаровидным графитом проводились в
разных научных центрах бывшего СССР, в том числе
в Киеве в Институте машиноведения и
сельскохозяйственной механики УССР. В качестве
модификаторов, кроме магния, применялись
редкоземельные металлы, кальций, цирконий и
другие элементы.
В 1951г. была проведена I Всесоюзная
конференция, посвященная этому конструкционному
материалу. Позже Институт литейного
производства, а затем Институт проблем литья
УССР систематически организовывал всесоюзные и
республиканские семинары и конференции,
посвященные высокопрочному чугуну с шаровидным
графитом. В те годы институт был назначен
Государственным комитетом по науке и технике
головной организацией в области высокопрочного
чугуна и комплексных модификаторов. Началось
планирование производства высокопрочного
чугуна и комплексных модификаторов, и это дало
свой ощутимый эффект.
Как образуются "шарики"?
Ключевым вопросом, основным звеном, в
деле производства высокопрочного чугуна
является механизм образования шаровидного
графита (ШГ). На основании наших исследований и
исследований многих авторов, можно сделать вывод
о том, что во всех случаях образование ШГ
происходит через процесс образование – распад
карбидов-модификаторов. Не вдаваясь подробно в
механизм образования ШГ, отметим только
следующее. Присадка магния в чугун всегда
сопровождается появлением отбела в отливках.
Поэтому необходимо было изучить влияние этого
элемента на графитизацию при отжиге чугуна. С
этой целью была разработана методика с
применением дифференциального дилатометра
Шевенара, позволившая нам еще в 1955-1956гг.
обнаружить "карбидный эффект", который
заключается в том, что в образцах белого чугуна с
магнием (в белом магниевом чугуне практически
весь магний находится в карбидах) после быстрого
прогрева с большой скоростью происходит распад
карбидов, обогащенных магнием. Необходимо
отметить, что общая продолжительность
графитизирующего отжига белого чугуна с низким
содержанием кремния, но обработанного магнием,
сокращается в 5-10 раз по сравнению с таким же
чугуном, но без магния.
С нашими данными совпадают результаты,
полученные японскими исследователями при
изучении влияния магния на кинетику распада
карбидов и продолжительность отжига белого
чугуна с различным содержанием магния.
Чен Си Шенем и В.Хохольковым был
установлен карбидный эффект при изучении
кристаллизации заэвтектического чугуна (4,8% С; 1,2%
Si; 0,003% S; 0,01% Мn; 0,05% Р), обработанного стронцием.
Чугун обрабатывался стронцием, проявляющим себя
подобно магнию, затем закаливался (капли чугуна)
с температур 1500 °С, 1300 °С, 1200 °С, 1150 °С, 1130 °С и 1140
°С. При закалке с 1500 °С структура состояла из
ледебурита и первичного цементита. При закалке с
1300 °С – из ледебурита, первичного цементита, но в
меньшем количестве, и первичных, единичных
включений шаровидного графита. При закалке с 1200
°С структура чугуна была ледебуритной с
небольшим количеством мелких первичных
включений цементита и шаровидного графита. При
закалке с 1150 °С в структуре первичного цементита
не было, преобладали ледебурит и шаровидный
графит. В эвтектическом интервале вокруг графита
появился аустенит, и дальше рост графита
происходил путем диффузии углерода через
аустенит.
В немодифицированном чугуне при всех
температурах закалки первичного цементита в
структуре не было. Примерно при 1300 °С зарождался
пластинчатый графит, который увеличивался по
мере понижения температуры закалки. При закалке
с 1200 °С в структуре немодифицированного чугуна
уже был разветвленный пластинчатый графит и
ледебуритная основа. При закалке с температуры
начала эвтектической кристаллизации вокруг
пластинчатого графита образовался аустенит,
который при последующем охлаждении превратился
в мартенсит.
В 1968г. на Международной
металлографической выставке в Филадельфии (США)
была удостоена премии Гран-При работа, в которой
на 250 иллюстрациях было показано, как в Ni-C сплавах
зарождаются и pacтут карбиды никеля, как затем они
распадаются с образованием зародышей углерода с
последующим ростом шаровидного графита.
"Карбидному эффекту", судя по имеющейся
информации, придавали большое значение многие
исследователи, в том числе первооткрыватели
ВЧШГ.
На одном из семинаров K.Mills – один из
основных авторов магниевого процесса получения
высокопрочного чугуна, в то время директор
International Nickel Co., член редакционной коллегии
журнала американского общества литейщиков "AFS
Cast Metals Research Journal" в своем выступлении сказал
примерно следующее: "…Мы еще не знаем, почему
образуются сфероиды графита. Если мы изучим,
почему получаются сфероиды, мы сможем отказаться
от магния, нас перестанут волновать проблемы
дымовыделения, мы найдем намного более легкий
путь, чтобы делать их (сфероиды). Это – дорогие
исследования. Кто их выполнит, я не знаю, но это
будет большой прогресс, большой подъем для всего
литья сплавов железа. В настоящее время
проводятся исследования на пути к более высокой
графитизирующей тенденции в литых сплавах
железа. Я думаю, что это возможно путем
использования карбидного эффекта…".
H.Morrogh и W.Williams провели обширные
исследования, в которых показана высокая
сфероидизирующая способность силикокальция
(кальция) вместе с магнием, стронция с магнием,
бария с магнием и т.д. В статьях H.Morrogh отмечается,
что процесс сфероидизации графита тесно связан с
образованием и распадом карбидов-модификаторов.
Это доказывалось на примере не только чугуна, но
и никель-углеродистых и кобальт-углеродистых
сплавов.
Согласно представлениям академика
А.Шубникова, сферолит может возникнуть из
множества зародышей, сосредоточенных в одной
"точке". Профессор О.Козлова (Рост
кристаллов, изд. Московского университета, 1967)
также считала, что обыкновенный сферолит
возникает "… из группы обломков
кристаллов…". Сфероиды графита в чугуне
вырастают из одной "точки", в которой
сосредоточено в результате "карбидного
эффекта" множество зародышей. Поэтому
строение шаровидного графита в магниевом чугуне
имеет характерное лучистое строение. В
"ядре" шаровидного графита, как правило,
высокое содержание магния или другого
сфероидизатора.
С использованием дифференциального
термического анализа были продолжены
исследования "карбидного эффекта". Особое
внимание было уделено исследованию влияния
кальция (силикокальция) на процессы
графитообразования в чугуне.
Выбор силикокальция (кальция) в качестве
модификатора связан с тем, что в зависимости от
способа его ввода в чугун и состава других
компонентов в модифицирующей смеси (сплаве)
кальций становится активным сфероидизатором
графита, не уступая магнию. В этом случае кальций,
как и магний, образует, наоборот, весьма
непрочные карбиды, проявляя "карбидный
эффект".
Данные свидетельствуют о том, что
самостоятельно силикокальций, как правило, не
может быть сфероидизатором графита. Он (кальций
силикокальция) становится сфероидизатором
графита только при одновременном вводе с
магнием, церием, иттрием и другими активными
сфероидизаторами графита. Кальций, как и барий,
образуют с углеродом четыре монотропные
модификации карбида кальция. Под влиянием
примесей, температуры, таких добавок, как магний,
и других факторов образуются карбиды кальция
непрочных модификаций, что и приводит к
"карбидному эффекту" и, как следствие, к
распаду таких карбидов и к образованию зародышей
шаровидного графита.
В результате анализа термограмм нагрева
и охлаждения смеси, состоящей из силикокальция
(содержащего Мg и РЗМ) и графита (20%) установлено,
что при нагреве, начиная с температуры 1135 °С,
бурно протекает экзотермическая реакция
образования карбидов-модификаторов: магния,
кальция и РЗМ, а также кремния. Эти карбиды
непрочны – при охлаждении частично распадаются
выше температуры эвтектики, а частично – ниже. В
структуре полученного сплава наблюдается
шаровидный графит, карбиды железа и кремния. В
составе карбидов имеется также магний, РЗМ и
незначительное количество кальция.
При одновременном вводе в чугун иттрия и
силикокальция происходит сфероидизация графита
через образование и распад их непрочных сложных
по составу комплексных карбидов при температуре
соответственно 1170 и 1130 °С. Графитизация карбидов
заканчивается при температурах несколько выше
1000 °С. В структуре такого чугуна графит
шаровидной, компактной и вермикулярной формы и
5-10% цементита. В локальных местах, где количество
цементита достигает 50%, графит только шаровидный.
В ковком чугуне в жидком состоянии
колоний углерода практически нет. Поэтому
получить на базе ковкого чугуна высокопрочный
чугун с шаровидным графитом возможно только
двумя способами – путем обработки такого чугуна
магнием (церием, иттрием), сохранив структуру
белого чугуна, а затем подвергнув его
графитизирующему отжигу, или изменением
структуры исходного жидкого чугуна за счет
присадки в металл графита и ферросилиция с
последующим вводом сфероидизирующих
модификаторов.
Модификаторы – ключ
к качественному ВЧШГ
Исходя из проведенных исследований, нами
были разработаны кальцийсодержащие комплексные
модификаторы на базе алюминиевых сплавов,
которые позволяют получать отливки при
изготовлении их в сырых песочных формах,
полностью без пригара, с высоким качеством
поверхности. Определены составы таких
модификаторов, которые, в отличие от всех
известных, не образуют специфичного дефекта в
поверхностных слоях отливок в виде сыпи и
газовых пузырьков.
Особенно это важно при производстве
таких отливок, как поршневые кольца,
индивидуальным способом при стопочной формовке.
Кольца, изготовленные из высокопрочного чугуна с
применением специальных композиционных
модификаторов комплексных (КМК), после шлифовки
отличаются высоким качеством поверхности.
Пpeимyщecтвoм кальцийсодержащих
комплексных модификаторов на основе алюминиевых
сплавов является также то, что они пригодны для
модифицирования ваграночного чугуна с высоким
содержанием серы и низкой температурой жидкого
металла.
Приведем только несколько примеров из
нашей практики эффективности производства и
применения ВЧШГ с использованием
кальцийсодержащих комплексных модификаторов.
Важнейшей задачей в 80-х годах XX века
являлась разработка технологии получения
отливок в условиях массового производства для
гидростатических трансмиссий. Ни в
отечественной, ни в зарубежной практике не было
примеров производства отливок из ВЧ60-2 и более
прочных марок с высокой гидроплотностью на
рабочее давление 45 МПа и высокой
износостойкостью при ваграночной плавке и
конвейерном производстве. Сложности были
связаны главным образом с относительно низкой
температурой металла (1370-1400оС) и высоким
содержанием серы (0,08-0,14%) в исходном сером чугуне.
Известно, что в мировой практике в
качестве модификаторов наибольшее
распространение имеют лигатуры с 5-9% Mg, не более 2%
Ca и до 1% РЗМ. Применение указанной лигатуры для
получения отливок для гидротрансмиссий в
условиях ваграночного процесса плавки приводило
к стопроцентному браку.
Применение различных комбинированных
процессов модифицирования, в том числе с
предварительной десульфурацией исходного
чугуна церийсодержащими лигатурами, применение
автоклава и др. не дали положительного эффекта в
условиях конвейерного производства. Попытка
покупать импортные отливки также не увенчалась
успехом.
Задача была успешно решена только при
модифицировании ваграночного чугуна
комплексными модификаторами ЖКМК2Р-4Р с
содержанием 6-10% Са вместе со специально
разработанным флюсом-модификатором БСКЦ-111 (ТУ 88
УССР 87-02-82). Состав и технология получения флюса
были разработаны совместно с КГУ и освоены на
Константиновском химическом заводе.
Модифицирование осуществлялось в
чайниковых ковшах вместимостью 1т жидкого
чугуна. Весь процесс модифицирования завершался
примерно за 40 с, т.е. раньше, чем полностью
наполнялся ковш жидким металлом из канального
миксера. В течение одного часа с учетом 100%-ного
контроля качества металла до и после
модифицирования обработке модификаторами
подвергалось примерно 15 ковшей. Расход КМ
составлял 2,5% на тонну жидкого чугуна и 0,6%
флюса-модификатора БСКЦ-111.
Применение БСКЦ-111 исключает
зашлаковывание ковшей, резко ускоряет
растворение в чугуне кальцийсодержащего
модификатора ЖКМК2Р-4Р, а также приводит к
эффективной десульфурации исходного чугуна.
Следует отметить, что при
модифицировании магнийсодержащими
модификаторами (с кальцием и без него) в открытых
ковшах (сэндвич-процесс) образуются
высокотоксичные продукты реакции, прежде всего,
фтористый водород. Так, например, при
модифицировании в чайниковых ковшах
вместимостью 1т жидкого чугуна лигатурой Mg-Ni-РЗМ
с 14,5% магния, фтористого водорода в воздушной
среде образуется около 2,8 мг/м3 (ПДК 0,05 мг/м3).
В случае модифицирования в таких ковшах
модифицирующей смесью ЖКМК3Р + флюс-модификатор
БСКЦ 111 при температуре жидкого чугуна 13800С
выделяется менее 1,0 мг/м3 HF2. Для уменьшения в
воздухе фтористого водорода на участках
скачивания шлака и заливки форм необходимо
применение принудительной вентиляции.
При модифицировании указанной смесью,
как и смесью, состоящей из ЖКМК и плавикового
шпата, в автоклаве, но без избыточного давления,
содержание фтористого водорода на участке
получения ВЧ менее 0,1 мг/м3. Такое же количество HF2
образуется при модифицировании чугуна магнием в
автоклаве (после продувки и разгерметизации
автоклава).
При модифицировании жидкого чугуна
безмагниевыми комплексными модификаторами с
применением таких флюсов, как CaF2 или БСКЦ-111, в
открытых ковшах количество образующегося
фтористого водорода в зависимости от
технологических факторов менее 0,3 и 0,15 мг/м3 при
температурах жидкого чугуна соответственно 1440 и
14200С.
С использованием разработанной
модифицирующей смеси, состоящей из
кальцийсодержащих комплексных модификаторов
ЖКМК2Р-4Р и флюса-модификатора БСКЦ-111, было
организовано при ваграночном процессе плавки
(температура плавления модифицирующей смеси
1000-11000С) массовое производство отливок из ВЧШГ
для гидростатических трансмиссий. По учтенным
данным, произведено сотни тысяч отливок, а с их
использованием изготовлено свыше 120 тыс.
гидротрансмиссий, более 80 тыс. зерноуборочных,
кукурузоуборочных, свеклоуборочных и других
комбайнов и машин.
Разработанная технология получения ВЧШГ
при ваграночном процессе плавки может найти
применение на многих предприятиях СНГ, на
"Центролитах" с ваграночным или
дуплекс-процессом плавки (вагранка-электропечь).
Кроме флюса-модификатора БСКЦ-111,
разработана технология получения
флюса-модификатора ЦСКЦ-122, содержащего фториды
РЗМ, которые могут найти более широкое
применение, чем БСКЦ-111, и технология получения
флюса-модификатора "Рефтокон". Работа по
созданию и испытанию "Рефтокона"
проводилась совместно с Институтом химии и
технологии редких элементов и минерального
сырья Российской Академии наук.
Флюсы-модификаторы ЦСКЦ-122, БСКЦ-111 и
"Рефтокон" особенно перспективны для
безмагниевых комплексных модификаторов и для
производства сварочных материалов. Они также
могут применяться для модифицирования стали,
получения тонкостенных отливок из ВЧШГ без
отбела и толстостенных отливок из этого чугуна с
мелкозернистой структурой.
Второй пример эффективного
использования кальцийсодержащих комплексных
модификаторов для производства отливок из ВЧ –
Новокаховский электромашиностроительный завод.
В условиях завода на основе сложных
исследовательских работ, связанных с изучением
структуры жидкого чугуна и процессов
модифицирования, был разработан и внедрен
технологический процесс получения специального
ферритного высокопрочного чугуна, и на этой
основе организовано массовое производство
высококачественных сложных отливок. Это
позволило полностью удовлетворить потребности
угольной промышленности и других отраслей во
взрывобезопасных двигателях ВАО 4, 5 габаритов и
их модификаций, имеющих массовое применение.
Вместо стали для производства деталей
коробки выводов и станин электродвигателей на
основании сложных стендовых и натурных
испытаний, проведенных под контролем двух
межведомственных комиссий, был рекомендован ВЧ
марки ВЧ 42-12.
Плавка чугуна в условиях завода
осуществлялась дуплекс-процессом: кислые
вагранки – основные дуговые печи. После
проведения исследований была решена задача
организации массового производства
взрывозащищенных и ударостойких
электродвигателей. Модифицирование
кальцийсодержащими комплексными модификаторами
осуществлялось сэндвич-процессом. Расход КМ
составлял 1,5% от массы жидкого чугуна. Кроме того,
для получения качественных отливок их
конструкция была переделана с целью создания
направленного затвердевания. В результате
процент брака отливок из ВЧ (3%) в условиях
массового производства был в 2 раза меньше, чем
отливок из серого чугуна (6%).
Благодаря интенсивной вытяжной
вентиляции, задымленности участка
модифицирования не было. Технология позволяла
осуществлять 100%-ный контроль качества и свойств
отливок, поэтому рекламации на двигатели
практически отсутствовали. По указанной
технологии были изготовлены сотни тысяч
электродвигателей в ударозащищенном и
взрывобезопасном исполнении.
Полученные в ходе выполнения работы
данные о состоянии углерода в жидком чугуне
(журнал "Вісник Академії наук Української
РСР", 2, 1976г.) имеют не только теоретическое, но и
большое практическое значение для разработки
технологии получения стабильных результатов в
условиях массового производства отливок из ВЧШГ.
Заслуживает внимания еще один из
многочисленных примеров эффективности
применения ВЧШГ. Сотрудничая с рядом
судостроительных предприятий, с
технологами-литейщиками, сварщиками и, особенно,
конструкторами, удалось решить ряд актуальных
вопросов в судовом машиностроении. После замены
автоклавов и магниевого процесса на
кальцийсодержащие комплексные модификаторы,
появилась возможность значительно улучшить
качество и свойства отливок из ВЧШГ, повысить
жидкотекучесть модифицированного чугуна,
снизить расход металла на литниковую систему,
увеличить выход годного, сократить цикл
производства ВЧШГ, коренным образом
переработать и усложнить конструкции деталей,
машин, снизить металлоемкость многих изделий,
уменьшить затраты на механическую обработку.
Плавка чугуна в дуговых электропечах,
применение качественных шихтовых материалов,
микролегирование чугуна никелем и молибденом,
применение для модифицирования
кальцийсодержащих КМ (8-12% Са) и другие
мероприятия позволили получать ВЧ в отливках с
более высокими свойствами, чем требовал
заказчик.
Основная задача сводилась к замене
изделий из стали 08ГДНФЛ, используемой в условиях
морской среды, на ВЧШГ. Коррозионные испытания
разработанного "кальциевого" ВЧ в условиях
пресной и морской воды показали, что он не только
не уступает, а даже превосходит по коррозионной
стойкости указанную сталь.
Помимо улучшения обрабатываемости
резанием на 20-40%, резко снизилась трудоемкость
изготовления деталей по сравнению с серийными из
стали, т.к. корпусные и другие детали из ВЧШГ
выполнены цельнолитыми, в отличие от
литосварных. При изготовлении деталей
цельнолитыми отпала необходимость в
механической обработке под сварку, в сварочных
работах, сокращены припуски на механическую
обработку. Резко сокращены дополнительные
работы, связанные с заваркой литейных дефектов.
Для исправления литейных дефектов в
отливках из ВЧШГ были разработаны специальные
чугунные электроды с использованием
кальцийсодержащих КМ.
На основании исследовательских,
конструкторских и технологических работ стало
возможным применение ВЧШГ в судовом
машиностроении взамен стали, бронзы, серого
чугуна, магниевого чугуна, алюминиевых сплавов.
Это позволило с большим
технико-экономическим эффектом организовать
производство надежных и долговечных в
эксплуатации автоматизированных
электрокомпрессорных станций и широкой гаммы
электрокомпрессоров, автоматизированных
электрокомпрессоров вакуумирования,
свободно-поршневых дизель-компрессоров и
автоматизированных дизель-компрессорных
станций, аксиально-поршневых
электрокомпрессоров, гидромоторов и
гидронасосов систем гидравлики, питательных и
конденсаторных насосов энергетических
установок и других изделий. Стало возможным
унифицировать и почти в два раза уменьшить
номенклатуру машин и оборудования, резко снизить
трудоемкость изготовления и получить большую
экономию режущего инструмента, сократить более
чем на 3000 наименований узлов и деталей.
Наши исследования показали, что изделия
из ВЧШГ, полученного при помощи
кальцийсодержащих КМ, можно относительно просто
сваривать, восстанавливать изношенные детали (с
помощью КМК, входящих в состав ферромагнитной
шихты, восстановлено более 100 тыс. коленчатых
валов различных типов двигателей), исправлять
литейные дефекты. Совместно с ИЭС им. Патона НАН
Украины разработано несколько составов
порошковой проволоки с КМК, в том числе для
устранения литейных дефектов на рабочей
поверхности 12-тонных сушильных цилиндров.
Более 10 лет на одном из киевских
предприятий для внутриформенного
модифицирования использовались
кальцийсодержащие КМ ЖКМК (ТУ 14-5-39-79)
Челябинского электрометаллургического
комбината с содержанием Са 8-12%. Для изготовления
поршневых колец отливались маслоты массой до 60
кг. Модификаторы ЖКМК вводились в реакционную
камеру (1,3% от массы жидкого чугуна) вместе с
измельченным до порошка фракции менее 1 мм
плавиковым шпатом (0,6% от массы жидкого чугуна).
Температура чугуна при заливке в формы
составляла 1420-14500С. Технология обеспечивала
стабильность процесса и высокое качество
отливок из ВЧШГ ответственного назначения.
С целью повышения свойств ВЧШГ,
уменьшения расходов модификаторов, получения
перлитного ВЧШГ при внутриформенном
модифицировании совместно с Институтом проблем
материаловедения НАН Украины под руководством
д.т.н. О.Катруса была разработана безотходная
технология получения наперед заданного состава
композиционных модификаторов комплексных (КМК)
методом прокатки.
Создана большая гамма КМК и разработана
промышленная технология их получения в условиях
Броварского завода порошковой металлургии.
Проверка таких модификаторов в лабораторных и
производственных условиях показала их
значительные преимущества по сравнению с
модификаторами типа ЖКМК.
В составе КМКП-КС (П – прокат, КС –
Катрус) примерно 50% железного порошка (могут быть
также порошки меди и т.п.), который не только
служит связующим компонентом, но и выполняет
функции внутренних кристаллизаторов, легирующих
компонентов.
Расход таких модификаторов составляет
0,8-1% от массы жидкого чугуна, в том числе 0,5%
железного порошка. Определенные по составу
КМКП-КС (при ковшевой технологии
модифицирования) позволяют получать отливки из
ВЧШГ плотными, без усадочных раковин и
пористости, не используя при этом питающих
бобышек и прибылей.
Жидкотекучесть чугуна после ввода
модификаторов, сфероидизирующих графит, в
результате рафинирующего воздействия
значительно увеличивается. Эффективность
влияния на жидкотекучесть возрастает с
увеличением содержания кальция в составе
комплексных модификаторов.
Большим преимуществом
кальцийсодержащих КМ по сравнению с другими
модификаторами является возможность получать
отливки из ВЧШГ без "черных пятен" –
неметаллических включений в магниевом чугуне,
которые резко снижают прочностные свойства
отливок.
Кальцийсодержащие КМ не требуют
предварительного обессеривания чугуна и в
большинстве случаев – качественных шихтовых
материалов. Это в значительной степени снижает
себестоимость производства ВЧШГ.
При использовании для модифицирования
ваграночного чугуна (0,09-0,11% Si, 0,6-0,9% Mn, 0,15-0,25% Cr, 0,06%
Ti, 0,2-0,3% Cu) с помощью модифицирующих безмагниевых
смесей, содержащих лигатуру с РЗМ (ФС30РЗМ30
Ключевского ферросплавного завода) и
силикокальций (Челябинского
электрометаллургического комбината), был
получен ВЧШГ с sв = 68,3-61,2 кгс/мм2, s = 2,3-6,3%, НВ 221-269.
Способ модифицирования КМ оказывает
существенное влияние на конечные результаты. При
проведении опытов по получению гильз цилиндров
из ВЧ для двигателей СМД использовались
модифицирующие смеси, состоящие из
силикокальция, лигатуры ФС30РЗМ30 и ферросилиция
марки ФС75. Гильзы изготавливались центробежным
способом в металлических формах с
теплоизоляционным покрытием. При вводе смеси из
силикокальция и РЗМ (в пересчете 0,9% Са и 0,21% РЗМ) в
ковш под струю металла отливки имели сквозной
отбел, а их твердость была более 300 НВ. При
комбинированном способе модифицирования, а
именно – ввод РЗМ под струю металла (чугун из
электропечей, содержание S 0,05%), а силикокальций –
во вращающуюся форму, получены гильзы из ВЧШГ без
отбела. Свойства чугуна в отливках были
следующими: sв = 62-64 кгс/мм2, s0,2 = 54-56 кгс/мм2, s = 3-6%,
твердость 229 НВ. По износостойкости такой чугун в
2-3 раза превышает износостойкость серого
перлитного чугуна с микролегирующими добавками.
При прочих равных условиях
жидкотекучесть чугуна, размеры и форма усадочных
дефектов зависят от состава модификаторов,
применяемых для сфероидизации графита.
Результаты исследований, проводимых на
клиновидных пробах и цилиндрических образцах
диаметром 60 мм и высотой 100 мм без применения
прибылей, показали, что некоторые модификаторы
не образуют или почти не образуют усадочных
дефектов в отливках из ВЧ.
Учитывая высокую рафинирующую
способность КМК, большой объем работ был
проведен по модифицированию КМК различных марок
стали для производства нефтедобывающего
оборудования, для повышения качества и свойств.
Производство ВЧШГ в мире (1996г.)
| №
п/п |
Страна-производитель | Объем производства,
тыс.т |
Доля, % |
| 1. | США | 4034,0 | 33,7 |
| 2. | Япония | 2141,0 | 17,9 |
| 3. | Китай | 1435,0 | 11,9 |
| 4. | Германия | 1056,0 | 8,8 |
| 5. | Франция | 879,0 | 7,3 |
| 6. | Южная Корея | 451,0 | 3,8 |
| 7. | Великобритания | 432,0 | 3,6 |
| 8. | Бразилия | 307,0 | 2,6 |
| 9. | Испания | 298,0 | 2,5 |
| 10. | Италия | 281,0 | 2,3 |
| 11. | Тайвань | 271,0 | 2,3 |
| 12. | Индия | 189,0 | 1,6 |
| 13. | Польша | 96,0 | 0,8 |
| 14. | Турция | 89,0 | 0,7 |
| 15. | Украина | 23,0 | 0,2 |
| Всего | ,0 | ,0 |
Рис. 1 Корпус муфты
Рис. 2 Коленвал для автомобильных
двигателей
Рис. 3 Корпус бортового редуктора
Рис. 4 Корпус коробки передач
Рис. 5 Блок цилиндров дизельного
двигателя
Рис. 6 Структура ВЧ, увеличенная в 1500
раз