Внутриформенное модифицирование высокопрочного чугуна литыми вставками при производстве коленвалов.

Д. А. Болдырев, Н. Б. Цалина (Исследовательский центр ОАО "АвтоВАЗ*)

В чугунолитейном производстве ОАО 'АвтоВАЗ' при получении отливок из ЧШГ дополнительно с ковшовым первичным модифицированием используют вторичное (позднее) модифицирование, при котором входящие в модификатор графитизирующие элементы повышают эвтектическую температуру образования графита и снижают эвтектическую температуру образования карбидов, что способствует подавлению образования вторичного цементита в структуре чугуна. Перед заливкой расплава в литниковую воронку формы помещают кусок ферросилиция ФС75 массой 150...200 г или брикеты ферросилиция ФС65Ба1 массой 170...220 г.

Недостатки применяемой технологии модифицирования, влияющие на качество отливок:

В настоящее время один из наиболее эффективных способов позднего инокулирующего модифицирования - внутриформенное модифицирование литыми вставками из специальных модифицирующих сплавов. Такое модифицирование более экономично, так как не требует затрат на модифицирование массивных частей литниковой системы (литниковой чаши, стояка). Модификатор растворяется полностью, так как находится в потоке металла, а не в воронке. Масса литых вставок строго дозирована и определяется из расчета 0,1% от массы модифицируемого металла. Химсостав предлагаемого вторичного графитизирующего модификатора, %: 70...78 Si; 3,2...4,5 AI; 0,3...1,5 Са; ~0,5 РЗМ; Fe - ост.

Предположили, что применение литых вставок на основе ферросилиция для графитизирующего модифицирования в форме позволит значительно улучшить форму шаровидного графита, продлить действие магниевого модификатора, уменьшить размер и обеспечить равномерное распределение графита по объему металлической матрицы, предупредить появление цементита. Дополнительно ставилась задача получения высоких механических свойств (высокой прочности) и перлитной структуры ЧШГ при ограничении на введение дорогостоящего никеля, для чего планируется использовать медь в качестве перлитизатора (так как медь в большей мере влияет на структуру чугуна в литом состоянии, а никель - после термообработки) и литых вставок на основе ферросилиция в качестве вторичного модификатора.

На этапе I экспериментальных работ для обеспечения стабильного структурообразования ЧШГ в течение всего времени разливки испытывали литые вставки на основе ферросилиция для внутриформенного модифицирования в условиях действующего производства при изготовлении отливок коленвала. Кроме того, сделана попытка с помощью литых вставок получить литую структуру, соответствующую нормативам для нормализованных отливок содержание феррита в структуре чугуна < 8%. Испытания модификатора проводили на линии Georg Fisher на модели коленвала ВАЗ-2112 из ЧШГ марки Gh75-50-03 - это марка чугуна по принятому на ОАО 'АвтоВАЗ' итальянскому стандарту нормали FIAT-BA3 52205 со следующими характеристиками: σ_в ≥ 750 МПа, σ_0,2 ≥ 500 МПа, δ ≥ 3%.

По серийной технологии получения отливок коленвалов из чугуна марки Gh75-50-03 в ковш вводят 5,4 кг лигатуры Ni-Mg-Ce и 3 кг ферросилиция ФС75. Кроме того, в литниковую чашу укладывают кусок ФС75 массой 150...200 г или брикет ФС65Ба1 массой 170...220 г. По этой технологии в литом состоянии получается структура с содержанием феррита ~20%, который снижается до 8% при термообработке (ТО) - нормализации.

Для получения литой структуры коленвалов, соответствующей нормализованной (то есть с содержанием феррита < 8%), было необходимо снизить количество графитизирующего модификатора ФС75 с 3 до 2 кг. В результате работы залили коленвалы модели ВАЗ-2112. Из опытной плавки взяли на исследование четыре коленвала, из них один испытали при натурных стендовых испытаниях на двигателе и три - на усталостную долговечность. Коленвал, установленный на двигателе, выдержал требуемые 600 ч ходимости, результаты испытаний коленвалов 1, 2 и 3 на усталостную долговечность приведены ниже (N - количество циклов до разрушения).

После испытаний провели металлографический анализ разрушившихся коленвалов. Микроструктура и твердость соответствовали марке Gh75-50-03. Работа по производству отливок без ТО была расширена и на модель ВАЗ-2110.

Задача этапа II работы - производство коленвалов без ТО с получением перлитной структуры и требуемых механических свойств. Для оценки действия модификатора заливали на линии G. Fisher опытную партию отливок коленвалов мод. ВАЗ-2110. Литую вставку массой 110 г устанавливали в форму под стояк в специальное гнездо. Одновременно заливали пробы для определения химсостава.

Опытную партию коленвалов заливали с комплексным модифицированием:

Коленвалы отбирали из первой и последней залитых форм. Для сравнения были отобраны коленвалы, залитые по действующей технологии. Исследовали микроструктуру всех шеек коленвалов, а также фланцев и хвостовиков. Содержание феррита в хвостовике и шейках - в пределах нормы (2...8%), а во фланце значительно больше (8... 10%), однако, меньше, чем в серийной отливке (5... 15%). Свойства коленвалов с модифицированием литыми вставками соответствовали чугуну Gh75-50-03.

Для подавления содержания свободного феррита может быть увеличено содержание марганца на 0,1% или уменьшено количество вводимого в ковш ферросилиция ФС75 на 1 кг. В результате увеличения добавки марганца (без изменения добавок в ковш и с использованием литой модифицирующей вставки) повысилась твердость коленвалов до 285 НВ и предел прочности на разрыв - до 850 МПа, однако, содержание феррита осталось довольно высоким (15%). Затем уменьшили добавку ферросилиция ФС75 в ковш на 1 кг (до 2 кг) и залили один ковш. Механические свойства и металлическая основа соответствовали необходимым требованиям.

Для снижения количества феррита в структуре отливок из ковшового модифицирования исключили добавку ферросилиция ФС75-5 и добавили медь - до 0,64%. В каждую форму устанавливали литую вставку. Однако содержание феррита оставалось довольно высоким (10... 15%). Для подавления свободного феррита увеличили количество перлитообразующих элементов, один из которых - марганец. В следующем эксперименте ввели добавку марганца в виде силикомарганца. Результат - снижение количества феррита до 5%. Однако наличие кремния в силикомарганце привело к повышению кремния в составе чугуна, в результате чего твердость коленволов оказалась на нижнем пределе. В связи с этим, силикомарганец заменили ферромарганцем, и залитые по этому варианту отливки полностью соответствовали требованиям по микроструктуре и механическим свойствам. В соответствии с этими рекомендациями залили опытно-промышленную партию коленвалов модели ВАЗ-2110. Объем партии - 20 т (875 шт.). Из опытно-промышленной партии отобрали отливки коленвалов:

По последним трем пунктам для сравнения пере­дали серийные коленвалы в литом и ТО-состояниях.

Исследовали и испытывали образцы, изготовленные из коленвалов четырех вариантов:

Статические испытания показали, что внутриформенное модифицирование чугуна вставками повышает прочностные свойства коленвалов в ли­том состоянии - на 70, в термообработанном - на 40 МПа. Наименьшие прочностные свойства получены на серийном нетермообработанном коленвале, наибольшие - на коленвале, модифицированном литой вставкой после ТО (вариант 4).

Вернуться в раздел "Техническая информация"