ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЕЙНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ

The article analyzes the application of quality control tools at the Machine-building plant named after M.I. Kalinin, Yekaterinburg, and presents one of the options for the step-by-step implementation of the statistical methods introduction in electroplating production.

Key words: product quality, statistical methods, quality control tools, electroplating production, prediction method of the coating quality.

Yefremov Andrey Nikolaevich, postgraduate, head of the bureau (technical control), andrey_effremuss@,mail. ru, Russia, Yekaterinburg, Machine-building plant named after M.I. Kalinin,

Iudin Sergey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, svjudin@rambler. ru, Russia, Tula, Plekhanov Russian University of Economics, Tula branch

УДК 669.087

DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-358-362

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЕЙНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ

А.В. Анцев, С.С. Амиров, А.И. Вальтер

Показана связь между структурой металлической основы и формой и размерами включений графита. Установлено, что качество высокопрочных чугунов при получении требуемой марки подразумевает эквивалентный баланс соотношения перлита и феррита, а также степени сфероидизации графита в структуре чугуна. Исследовано влияние содержания кремния на механические характеристики и литейные свойства высокопрочных чугунов.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, чугун с шаровидным графитом, качество, модификатор, металлический магний, металлическая основа, феррит, перлит, аустенит.

До настоящего времени чугун остается одним из наиболее широко используемых материалов современного машиностроения. Не уступая по прочности и пластичности многим сталям, чугун при этом обладает целым рядом преимуществ: повышенной жидкотекучестью и меньшей усадкой, высокой износостойкостью и демпфирующей способностью. Кроме этого, себестоимость чугунных отливок в 1,5-2,5 раза меньше, чем стальных.

Серый чугун - это дешёвый и наиболее широко применяемый в машиностроении, сантехнике, строительных конструкциях вид чугуна. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

- чугун с пластинчатым графитом;

- чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

- чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

- чугун с вермикулярным графитом.

Для получения литейных высокопрочных чугунов с шаровидным графитом и необходимыми механическими свойствами необходимо установить связь между структурой металлической основы и формой и размерами включений графита, учитывая, что влияние графита в наибольшей степени определяется его формой. Микроструктура чугунов с пластинчатым, вер-микулярным и шаровидным графитом в процессе поэтапного изменения шаровидного графита, полученная на микроскопе МИМ-8М, приведена на рис. 1.

Серый чугун с пластинчатой формой графита (СЧПГ) при любой структуре металлической основы (ферритная, феррито-перлитная, перлитная) имеет практически нулевое относительное удлинение на разрыв, однако на практике, как правило, используется серый чугун с перлитной структурой, обеспечивающей наилучшую прочность и износостойкость (марки СЧ25, СЧ30).

** Л *

а б в

Рис. 1. Поэтапное изменение шаровидного графита (х500): а - исходный чугун, полученный в печи (с пластинчатым графитом); б - чугун обработанный лигатурой ФСЗОРЗМЗО

(с вермикулярным графитом); в - высокопрочный чугун (с шаровидным графитом), полученный в результате одновременно взаимодополняющего ввода модифицирующего

комплекса

В отливках из СЧПГ допускается наличие 3-х типов графита: A (равномерно распределённый), B (розеточный) и D (переохлаждённый без преимущественного направления). Из них только графит типа А обеспечивает наилучшие технологические и физические свойства чугуна и наименьшее снижение механических свойств в отличие от типов B и D, являющихся аномальными формами и образующимися при местном недомодифицировании и/или переохлаждении. Таким образом, повышение качества СЧПГ в части морфологии графита подразумевает достижение в структуре преимущественно графита типа А.

Под повышением качества СЧПГ в части металлической основы понимается повышение дисперсности перлита (параметр ПД) с помощью таких легирующих элементов как марганец, олово, медь и никель.

Графит в высокопрочном чугуне имеет форму шаровидных включений или мелких компактных включений (вермикулярного графита) (рис. 1). Для получения необходимой формы включений графита в СЧПГ вводят специальные модифицирующие добавки. К модифицирующим добавкам для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧ111Г) относятся магний, церий, иттрий, лантан и кальций, которые оказывают положительное влияние на формирование шаровидного графита и диспергирование структурных составляющих.

Несмотря на то, что высокопрочный чугун по определению является чугуном с шаровидным типом графита, на практике обеспечить полное наличие графита идеальной шаровидной формы не представляется возможным. В связи с этим такой чугун классифицируется, как высокопрочный, если графит в нём имеет степень сфероидизации (ССГ) не менее 90 %. В особых случаях, например, при повышенных температурах заливки ввиду высокой сложности конструкции получаемой отливки или на более низких марках, допускается снижение содержания шаровидного графита до 80 %. При этом, для достижения необходимого качества и требуемых прочностных характеристик высокопрочного литейного чугуна становится необходимым повышать количество перлитной составляющей в структуре чугуна, например, путём введения перлитизирующих микролегирующих добавок (марганец, медь, олово).

Например, в отливках из ВЧШГ одного и того же химического состава, ав = /(П х Ф, ССГ) . Имея определённое значение ав при 80 % ШГ и соотношении П х Ф = 30 х 70 идентичный уровень механических свойств можно достичь при повышении ССГ до 90 % и уменьшении соотношения П х Ф = 20 х 80.

Таким образом, качество ВЧШГ при получении требуемой марки подразумевает правильный баланс соотношения П х Ф и степени сфероидизации графита в структуре чугуна.

В случае вермикулярного графита, по нормативу, чугуну можно присвоить марку ЧВГ, если в нём содержание вермикулярного графита не менее 60 %. Такое содержание верми-кулярного графита в структуре чугуна допускается ввиду достаточно узкого диапазона MgосT = 0,15...0,25 % при котором возможно его получить. Таким образом, повышение каче-

ства ЧВГ заключается в увеличении содержания вермикулярного графита за счёт использования специальных способов: встречное модифицирование (совместное применение магнийсо-держащего модификатора и титана), применение модификаторов с редкоземельными элементами и др.

В некоторых случаях, когда определяющими являются только механические свойства чугуна (при невозможности получения в структуре требуемого количества вермикулярного графита) может быть введено понятие о чугуне со смешанным типом графита (ЧСГ).

На литейные свойства чугуна сильное влияние оказывают содержание углерода и кремния. Исследования, приведенные в работе [2], показали, что для определения соотношения, при котором ВЧШГ обладал бы преимущественно ферритной структурой и достаточной вязкостью, содержание кремния, с учетом известного соотношения между его концентрацией и углеродным эквивалентом, в случае тонкостенных отливок (до 8 мм), может быть от 2,3 до 3,5 % без существенного влияния на механические свойства материала. На рис. 2 показана микроструктура двух марок высокопрочного чугуна ВЧ50 и ВЧ70 [3].

На снимках хорошо видно, что площадь, занимаемая шаровидным графитом для чугуна ВЧ70, превышает алогичную площадь для чугуна ВЧ50 на 15-20 %.

а б

Рис. 2. Микроструктура высокопрочного чугуна (х500): а -ВЧ50; б -ВЧ70; 1 - шаровидный

графит; 2 - феррит; 3 - перлит

Выводы:

1. Для получения ферритной структуры при подготовке исходного чугуна необходимо брать верхний предел по количеству углерода 3,2-3,5 % и кремния 1,8-2,0 %. В этом случае содержание углерода в чугуне, играющее роль при его затвердевании, оказывает лишь косвенное влияние на эвтектоидное превращение, так как концентрации углерода в аустените не зависит от общего его содержания в металле. Это косвенное влияние проявляется в том, что в высокоуглеродистом высокопрочном чугуне содержится повышенное количество графита, что, в общем, улучшает механические свойства чугуна.

2. Качество чугуна при получении требуемой марки подразумевает правильный баланс соотношения перлита и феррита, а также степень сфероидизации графита в структуре чугуна.

3. С повышением содержания кремния от 2 до 3 % механические характеристики ВЧШГ практически не изменяются, но улучшаются литейные свойства. Однако при дальнейшем повышении содержания кремния наступает понижение пластичности и повышение предела прочности при растяжении.

Список литературы

1. Сидоренко Р.А., Обыденной А.Н. Некоторые аспекты производства чугунов с шаровидным графитом // Литейное пр-во. 2002. № 6. С. 8-9.

360

2. Теплофизические и физико-химические процессы в сплавах на основе железа. Под. общ. ред. Вальтера А.И. М.; Вологда: Инфра-Инжененрия. 2020. 256 с.

3. Физико-химические процессы в железоуглеродистых сплавах / А.И. Вальтер [и др.]. Тула. Изд-во ТулГУ. 2016. 296 с.

Анцев Александр Витальевич, д-р. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Амиров Станислав Султанович, магистрант, valter.alek@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, профессор, valter.alek@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

QUALITY ASSURANCE OF DUCTILE CAST IRONS A.V. Antsev, S.S. Amirov, A.I. Walter

The relationship between the structure of the metal base and the shape and size of graphite inclusions is shown. It is shown that the quality of ductile cast irons when obtaining the required grade implies the correct balance of the ratio of pearlite and ferrite, as well as the degree of spheroi-dization of graphite in the structure of cast iron. The influence of the silicon content on the mechanical characteristics and casting properties of ductile cast irons has been investigated.

Key words: ductile iron, nodular cast iron, quality, modifier, metallic magnesium, metal base, ferrite, pearlite, austenite.

Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a.antsev@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Amirov Stanislav Sultanovich, master student, valter.alek@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Walter Alexander Igorevich, doctor of technical science, professor, valter.alek@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University