Отработка технологии литья головок блока цилиндров из чугуна с вермикулярной формой графита на по «МТЗ»

The results of adjustment of the technological process of casting of the cylinders block head ingots of cast iron with vermicular shape of graphite are presented.

А. Н. КРУТИЛИН, В. А. РОЗУМ, В. С. ЛОСЬ, Ю. Г. ПАНАРАД, А. Н. КУЗЬМИЧ, БИТУ, А. Н. КАРАСЬ, С. Г. КОРЕНЮК, ПО «МТЗ»

УДК 621.746.628

ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ГОЛОВОК БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ИЗ ЧУГУНА С ВЕРМИКУЛЯРНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА НА ПО «МТЗ»

Разработка и создание двигателей мощностью до 300 л.с. для энергонасыщенных тракторов семейства "Беларус" требуют освоения новых перспективных конструкционных материалов. Эксплуатация двигателей на тракторах, работающих в полевых условиях, показала, что уровень пластичных и усталостных свойств серого чугуна не достаточно высок и не обеспечивает длительной и надежной работы.

В качестве альтернативы было предложено опробовать чугун с вермикулярной формой графита марок ЧВГ-30—ЧВГ-40 по ГОСТ 28394-89.

Первый этап отработки технологии проведен в проблемной лаборатории литья (ПЛЛ ПО «МТЗ»).

Плавку металла осуществляли в 150-килограммовой индукционной печи с кислой футеровкой. Для доводки химического состава использовали ферросилиций ФС45, ферромарганец ФМнбО, электродный бой. Исследовали влияние величины добавки сфероидизирующего модификатора на структуро-образование и свойства чугуна. Механические свойства и структуру чугуна определяли на литых образцах по ГОСТ 28394-89, одновременно заливали клиновидные и ступенчатые пробы для определения влияния толщины стенки отливки на структуру и свойства чугуна. Исходный состав чугуна приведен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав сплава

с,% Si, % Мп, % Сг, % s,% р,%

3,4-3,8 1,9-2,2 0,4—0,6 0,1-0,15 0,01-0,03 0,02

Модифицирование чугуна проводили в ковше емкостью 30 кг, при этом модификатор укладывали на дно ковша, присыпая его дробью. Количество модификатора — 0,4, 0,6, 0,8, 1,0 %. Температура модифицирования — 1430 °С. В качестве графитизирующего модификатора использовали 2исток в количестве 0,2%.

Анализ структуры и свойств металла показал, что при содержании серы до 0,02% модификатор в количестве 0,4% не обеспечивает стабильного получения в структуре вермикулярной формы графита, имеют место области с пластинчатым графитом. Прочность на разрыв — 250 МПа, твердость — 170 НВ.

Использование модификатора в количестве 0,6—0,8% позволило получить более 90% верми-кулярного графита. Содержание шаровидного графита не превышало 10% (рис. 1).

Предел прочности на разрыв испытанных образцов 300-350 МПа, твердость - 160-180 НВ. Увеличение количества модификатора до 1 % при-

4 Ч-'Л

Рис. 1. Структура чугуна с вермикулярным графитом

вело к росту доли шаровидного графита до 30% и, как следствие, повышению прочности до 450 МПа и твердости до 230 НВ. На ступенчатых пробах и образцах для механических испытаний обнаружены усадочные раковины. В структуре

ШТТгГГ&ШЛРГКГ} I 111

—- 2 (34), 2005 I III

металла зафиксированы включения цементита, личных сечениях при обработке 0,6% модифика-Результаты исследования твердости сплава в раз- тора приведены в табл. 2.

Таблица 2. Изменение твердости и структуры сплава в различных сечениях

Показатель Толщина стенки, мм

5 10 20 30 40

Твердость НВ 255 229 207 187 176

Структура ШГф5-ШГр1 ШГф5-ШГр1 ШГф5-ШГр1 ШГф5-ШГр1 ШГф5-ШГр1

(50%) ВГф2-ВГр1 (40%) ВГф2-ВГр1 (8%) ВГфЗ-ВГр2 (5%) ВГфЗ-ВГр2 (5%) ВГфЗ-ВГр2

В зависимости от толщины стенки ступенчатой пробы существенно изменяется структура металла. Так, в 5-миллиметровом сечении отливки содержание шаровидного графита составило 40-50%, а в 20-миллиметровом - 5-8% и практически таким же остается в сечениях 30 и 40 мм. Твердость возрастает от 176 НВ в сечении 40 мм до 255 НВ в сечении 5 мм.

Таким образом, было установлено, что при содержании серы в исходном расплаве до 0,02% для стабильного получения чугуна с вермикуляр-ной формой графита необходимо введение 0,60,8% модификатора. При содержании серы до 0,01% интервал устойчивого получения вермику-лярной формы графита смещался в область 0,4— 0,6% сфероидизирующей добавки. Увеличение серы до 0,04% перемещало эту область до 0,9-1,1% модификатора. Но при этом интервал устойчивой зоны всегда составлял 0,2%. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показали, что при получении ЧВГ необходимо очень точно соблюдать параметры технологического процесса, а именно выдерживать в жестком диапазоне химический состав исходного металла, температуру заливки и дозировку модификатора.

Исследования показали, что исследуемый модификатор (УегтПоу 1) сохраняет свой эффект в течение 10-12 мин после модифицирования.

Учитывая данные, полученные в лабораторных условиях, дальнейшую отработку технологии изготовления головки блока цилиндров проводили в условиях СЛЦ. Стержни изготавливали в цехе ЛЦ-1 из плакированных смесей. Формовку проводили в сталелитейном цехе на 1-м конвейере. Металл плавили в дуговых электропечах емкостью 6 т. Ниже представлен состав шихтовых материалов:

стальной лом — 10-30%; чугун передельный ПЛ-1 - 30-50%; возврат высокопрочного чугуна — 40%. Модифицирование проводили по технологии "ковш—крышка", емкость ковша 1 т. Вторичное модифицирование проводили при переливе в разливочный ковш модификатором "грешок". Величину добавки варьировали в пределах 0,1— 0,3%.

Температуру металла контролировали при выпуске его из печи и заливке форм термопарой погружения.

На первом этапе в цеховых условиях определяли величину добавки модификатора, обеспечивающего стабильное получение вермикулярной формы графита.

Статистический анализ химического состава при серийном получении высокопрочного чугуна в СЛЦ показал, что содержание серы не превышает 0,02%. Исходя из этого, расход модификатора приняли равным 0,8%, а расход графитизи-рующего модификатора — 0,2%. Температура модифицирования расплава составляла 1450 °С, заливки форм -1340-1370 °С.

Для фильтрации металла в форме использовали армированные фильтровальные сетки с размером ячейки 2,0x2,0 мм.

Анализ структуры металла в образцах и отливках показал, что при обработке расплава модификатором УегтПоу 1 в количестве 0,8% в образцах имеют место вермикулярная и шаровидная формы графита. Причем доля шаровидных включений графита достигает 30% (рис. 2). Предел прочности составил 460 МПа, твердость, измеренная на образцах, — 207 НВ.

Рис. 2. Структура металла при введении 0,8% модификатора

112 /

ТТгГ, гг ГЛГТГГТ^/л^ГГГГГТ

(34). 2005 -

При исследовании структуры металла в отливках было установлено, что в тонких сечениях (до 20 мм) формируются шаровидные включения графита. В более массивных сечениях преобладает вермикулярная форма графита.

В отливке в зоне отверстия под форсунку были обнаружены усадочные раковины (рис. 3).

Брак по усадке составил 50%. Установка холодильников в этих местах не дала положительных результатов (рис. 4).

С целью снижения доли шаровидных включений графита в структуре чугуна величину добавки модификатора снизили до 0,6%. На моделях были установлены дополнительные прибыли.

Уменьшение расхода модификатора позволило получить в структуре до 92% графита вермикуляр-ной формы. Предел прочности составил 410-460 МПа, твердость — 207—229 НВ. Полученные отливки были плотными, без усадочных дефектов (рис. 5).

Исследования влияния содержания кремния и меди на структуру ЧВГ показали, что при одновременном их уменьшении соответственно до 2,17-2,29 и 0,18-0,19% предел прочности падает до 330— 380 МПа, а твердость - до 163-187 НВ. Содержание перлита не превышает 20%. Чугун соответствует марке ЧВГ-30 по ГОСТ 28394-89.

Анализ структуры по сечениям отливок показал, что в тонких сечениях (до 5 мм) формируется шаровидная форма графита в количестве до 30%, в сечениях до 20 мм вермикулярная форма графита составляет 95%.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• модификатор Уегтйоу 4 с содержанием Т\ до 3% позволяет стабильно получать при электроплавке чугун с вермикулярной формой графита;

• величина добавки модификатора зависит от содержания серы в исходном чугуне. Для стабильного получения чугуна с вермикулярной формой графита содержание серы необходимо

Рис. 3. Усадочная раковина в теле отливки

К «ЖЕ? Шш* г - I ш

5?

ш*

Рис. 4. Усадочная пористость в зоне установки холодильника

Рис. 5. Отливка с вырезанными участками

поддерживать в пределах 0,01-0,02%. При более высоком ее содержании увеличивается расход модификатора;

• для получения ЧВГ с ферритной структурой рекомендуется состав 4 (табл. 3).

Наиболее стабильные результаты получены при использовании химических составов чугуна, приведенных в табл. 3.

Таблица 3. Химический состав и свойства чугуна

Номер состава Химический состав, % Свойства

С & Мп Б Си а, МПа НВ 6,%

1 3,5 2,64 0,66 0,02 0,59 410-460 207-229 1

2 3,57 2,4 0,48 0,01 0,19 460 207 4,5

3 3,64 2,16 0,39 0,017 0,18 330 163 3,5

4 3,46 2,25 0,48 0,01 0,19 380,5 187 5

Несмотря на большое количество проведенных экспериментов, в заготовках головок блока цилиндров после механической обработки имеет место достаточно высокий уровень брака по уса-

дочным раковинам. Дальнейшие эксперименты будут направлены на устранение дефектов усадочного происхождения путем совершенствования технологического процесса литья.