УЛУЧШЕНИЕ КОМПЛЕКСА МЕХСВОЙСТВ СЕРЫХ ЧУГУНОВ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ

Каргинов В.П. (У-РП "СОЮЗ"), Кураков Ю.Г. (АМО ЗИЛ), Чайкин В.А. (филиал МГОУ), 
Чайкин А. В. (МГТУ им. Баумана), Малый А.В. (НПКП "ПАРАМИ")

Требования к литым заготовкам постоянно растут. Эксплутационные свойства и их надежность должны повышаться, толщина стенок отливок уменьшаться, но, при этом, обрабатываемость и технологичность заготовок должны быть сохранены.

Механические свойства серых чугунов являются основными качественными показателями и регламентируются го-сударственным стандартом. На АМО ЗИЛ изготавливаются отливки из чугуна марок СЧ 21 и СЧ 24. Механические свойства чугуна обеспечиваются химическим составом, который не является браковочным признаком, а служит для обеспечения благоприятной микроструктуры металла и, соответственно, требуемых механических свойств материала.

Химический состав чугуна обеспечивается подбором шихтовых материалов, определенный набор которых оказывает существенное влияние на микроструктуру и механические свойства чугуна. Обычно металлозавалка состоит из чушковых чугунов, стального и чугунного ломов, возврата собственного производства и ферросплавов. Чушковые литейные чугуны содержат в своем составе до 3 % кремния, что передает определенные наследственные свойства расплаву. Крупные графитовые включения, присутствующие в литейных чугунах (чушке), полностью не растворяются при плавке и способствуют кристаллизации большого количества крупных включений графита в отливке, что снижает склонность чугуна к отбелу, но, вместе с тем, и механические свойства материала. Повышения механических свойств добиваются за счет уменьшения частичек графита и увеличения степени дисперсности аустенитной фазы. Это возможно при увеличении доли передельных чугунов в металлозавалке или даже полной замене литейных чугунов передельными. Передельные чугуны содержат в своем составе значительно меньше кремния (до 1,2 %). Графитовая фаза в них существенно мельче и занимает меньший объем. Это дает возможность при неизменном химическом составе значительно увеличить механические свойства чугуна. Есть еще один путь повышения прочностных характеристик металла - это замена чушковых чугунов стальным ломом. Тогда дисперсность графита достигает максимальной величины. Однако во всех перечисленных случаях возникает повышенная склонность чугунов к усадке и происходит повышение твердости чугунов и трудоемкости их мехобработки. Вместе с тем, при производстве отливок из чугуна очень важно обеспечить повышение прочности сплава при возможно меньшем росте твердости для сохранения обрабатываемости. А это невозможно без эффективного графитизирующего модифицирования чугуна, позволяющего увеличить число центров кристаллизации графита, тем самым устранив неблагоприятные последствия замены литейных чугунов. Традиционных модификаторов становится недостаточно, требуются новые, более эффективные. Актуальность задачи определяется нарастающим дефицитом качественных литейных чугунов и присутствии большого количества стального лома в шихте при плавке синтетического чугуна. Этот процесс вызвал появление новых технологических решений, например, модифицирование смесевыми модификаторами с необычными для плавленых модификаторов комплексами элементов, в том числе и в ультрадисперсном состоянии.

Поэтому основной целью исследования явилось повышение механических свойств чугунов путем замены чушковых чугунов стальным ломом в сочетании с эффективной внепечной обработкой расплава комплексным смесевым модификатором МК21производства У-РП "СОЮЗ" (г. Днепропетровск).

Плавка чугуна производилась в условиях литейного цеха АМО ЗИЛ. Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи емкостью 30 тонн. Затем расплав подвергали внепечной обработке в ковше модификатором в количестве 0,25 % от массы расплава.

Металлозавалка была следующей: чугун передельный ПЛ 1 - 20%, стальной лом 1А - 44 %, возврат собственного производства - 27%, остальное - ферросилиций ФС45, ферромарганец ФМн78, феррохром ФХ65 и графит, которые добавлялись по расчету. Передельный чугун частично или полностью мог заменяться литейными чугунами Л6 или Л5, в этом случае менялась доля ферросилиция и графита. В последующем количество стального лома увеличили в шихте до 50 % за счет чушковых чугунов, содержание которых снизилось в шихте до 10%. Остальные компоненты шихты практически не изменились. Дополнительно была введена обработка расплава комплексным графитизирующим модификатором. Комплексный модификатор МК21 предназначен для обработки чугуна и представляет собой смесь порошков, содержащих, в основном, активные углерод и кремний. Кроме того, в его составе находятся кальций и алюминий. Часть этих элементов находятся в ультрадисперсном состоянии, что усиливает эффективность процесса и "живучесть" модификатора. Количество элементов в этом материале оптимизировано расчетным и практическим путем.

О качественных показателях серых чугунов, выплавленных по различным технологиям, судили по механическим свойствам. Для этого изучались предел прочности сплавов при растяжении и твердость чугунов. Для более полного представления об исследуемом процессе параллельно определялись химический состав и микроструктура сплавов. В нашем случае имелась возможность получения обширного экспериментального материала поэтому, согласно рекомендациям, в работе использовались методы математической статистики. Для определения стабильности качественных показателей чугунов вычислялись основные статистические характеристики исследуемых переменных величин: среднее арифметическое значение, среднеквадратичное отклонение, дисперсия, коэффициент вариации. Наглядно массивы распределения исследуемых факторов изображались на гистограммах, где по оси абсцисс откладывались значения признака, а по оси ординат - частоты случаев, соответствующие каждому варианту. При исследовании качества выплавляемого чугуна определенный интерес представляло установление закономерностей между составом и механическими свойствами сплавов. Для установления этих зависимостей использовали метод множественной регрессии. Адекватность построенных моделей проверяли по соответствующим критериям. Вычисления производились с использованием компьютерной программы STATISTICS & ANAL-ISIS [5].

Результаты статистической обработки механических свойств чугунов представлены на рис. 1, 2 и в табл. 2, 3.

 

Рис. 1: Гистограмма предел прочности при растяжении

Таблица 2. Статистические исследования предела прочности

.

Среднее значение, МПа

Размах колебаний, МПа

Среднеквадратичное отклонение, S1

Несмещенная дисперсия, S2

Коэффициент вариации, %

До внедрения

233,03

160

29,78

886,87

12,7

После внедр.

247,47

140

22,97

527,99

9,28

 

 

Рис. 2: Гистограмма твёрдости

Таблица 3. Статистические исследования твердости

.

Среднее значение, МПа

Размах колебаний, МПа

Среднеквадратичное отклонение, S1

Несмещенная дисперсия, S2

Коэффициент вариации, %

До внедрения

230,62

156

27,35

748,37

11,8

После внедр.

215,81

106

20,47

319,03

9,48

Изучение химического состава показало, что содержание таких элементов как сера, фосфор, никель, титан и алюминий достаточно стабильны, значительных выпадов в чугунах, выплавляемых на АМО ЗИЛ не отмечалось. Концентрации их определялись содержанием этих элементов в шихтовых материалах и влиять на их изменение в процессе плавки не было возможности. Поэтому их статистические характеристики не изучались. Статистические характеристики основных элементов чугуна представлены в табл.4.

Таблица 4. Основные статистики химического состава серых чугунов

Элементы

Среднее значение, %

Размах колебаний

Среднеквадр. отклонение

Несмещенная дисперсия

Коэффициент вариации, %

До

После

До

После

До

После

До

После

До

После

C

3,32

3,28

0,32

0,40

0,060

0,090

0,003

0,008

1,80

2,74

Si

2,14

1,98

0,37

0,77

0,067

0,192

0,004

0,036

3,13

9,69

Mn

0,92

0,88

0,50

0,72

0,042

0,138

0,008

0,019

4,50

15,68

Cr

0,31

0,22

0,24

0,38

0,042

0,083

0,001

0,007

13,5

37,72

Как видно, среднеквадратичная погрешность и коэффициенты вариаций содержаний кремния, марганца и хрома в чугунах достаточно высоки. Это говорит о том, что возможности повышения и стабилизации механических свойств чугунов АМО ЗИЛ не полностью реализованы и есть необходимость продолжить работу в этом направлении.

Для разработки рекомендаций по оптимизации химического состава в чугунах изучили опыт Ярцевского завода "Двигатель", где производились те же марки чугуна, что и на АМО ЗИЛ. Для выплавки использовался дуплекс-процесс и такие же шихтовые материалы. Однако, в Ярцево имелось одно преимущество: технологические пробы на механические свойства и химический состав заливались одновременно и маркировались одинаково, что дало возможность провести наряду со статистическим анализом еще и регрессионный зависимости механических свойств от химического состава. Сравнительные результаты статистического анализа приведены в табл. 5.

Таблица 5. Средние значения механических свойств и химического состава чугунов

Предприятие

Средние значения

Механические свойства

Химический состав

Предел прочности, Мпа

Твердость, HB

С, %

Si, %

Mn, %

Cr, %

Ярцевский з-д "Двигатель"

253,85

192,91

3,37

2,16

0,38

0,18

АМО ЗИЛ

247,47

215,81

3,28

1,98

0,88

0,22

Как видно, предел прочности Ярцевских чугунов выше чем у ЗИЛовских, а твердость ниже. Такое сочетание прочностных характеристик предпочтительнее. Сравнительный анализ химического состава показывает, что содержание углерода, кремния и хрома в чугунах, производимых на обоих заводах близки, а концентрации марганца резко отличаются. На ЗИЛе этот показатель выше, поэтому в дальнейшем предлагалось уменьшить содержание этого элемента. Для определения величины изменения построили уравнения регрессий для чугуна марки СЧ 24 ЯЗД.

Уравнения регрессии имеют вид:

σв = 481,8 - 52,6 C - 37,8 Si + 14, 4 Mn + 334, 2 Cr;

HB = 252 - 14, 6 C - 37,8 Si + 8,8 Mn + 141 Cr.

Анализ остатков подтвердил адекватность полученных уравнений.

Как видно, одновременное уменьшение кремния на 0,1 % и марганца на 0,3 % практически не отразится на механи-ческих свойствах чугунов. Поэтому, по аналогии, предлагалось изменить химический состав чугунов АМО ЗИЛ по кремнию до 2,0-2,3 и 1,9-2,2 в марках СЧ21 и СЧ 24 соответственно и по марганцу до 0,3-0,6 и 0,4-0,7. Для этого необходимо уменьшить количество ФС45 в шихте, а ферромарганец вывести из металлозавалки и в случае необходимости добавлять его в ковш. Это сэкономит ферросплавы. Принято решение о необходимости проведения анализа причин нестабильного содержания хрома и устранения их.

Таким образом, замена передельных чугунов на стальной лом в шихте позволила увеличить предел прочности выплавляемых чугунов на 6%, при этом, одновременно, уменьшить твёрдость на 6,9%. Благодаря внепечной обработке комплексным модификатором МК21 значительно повысилась однородность механических свойств. Полученная регрессионная зависимость механических свойств от химического состава позволила наметить пути опти-мизации химического состава чугунов и экономии ферросплавов.

Сведения об авторах: