Цель проводимой работы – отработка параметров технологического процесса изготовления отливок коленчатого вала с применением внутриформенного модифицирования литыми вставками на основе ферросилиция в условиях действующего производства.
В процессе работы производились заливки опытных и опытно-промышленных партий коленчатых валов с различными соотношениями сфероидизирующих и графитизирующих модификаторов. В результате выбрано оптимальное соотношение добавок модификаторов при ковшевом модифицировании, отлиты коленчатые валы с требуемой структурой, полученной в литье (без термообработки). Проведены стендовые испытания и испытания на усталостную долговечность.
В ЧЛП ОАО «АВТОВАЗ» при производстве отливок из высокопрочного чугуна дополнительно с ковшевым графитизирующим первичным модифицированием используется операция вторичного (позднего) модифицирования.
При вторичном графитизирующем модифицировании 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. Вторичное модифицирование является необходимым для обеспечения стабильного структурообразования чугуна в течение всего времени разливки ковша. Для этого перед заливкой расплава в литниковую воронку формы помещается кусок ферросилиция ФС75 массой 150…200 г или брикеты ферросилиция ФС65Ба1 массой 170…220 г.
Недостатками применяемой технологии модифицирования являются:
- нестабильность массы куска ферросилиция;
- неудовлетворительная растворимость брикетов;
- наличие в брикетах до 10…12% связующих компонентов (жидкое стекло, плавиковый шпат), загрязняющих металл шлаками;
- не растворившийся в воронке модификатор засоряет оборотную формовочную смесь.
Всё это сказывается на качестве отливок.
В настоящее время одним из наиболее эффективных способов позднего инокулирующего модифицирования является внутриформенное модифицирование с помощью литых вставок, изготавливаемых из специальных модифицирующих сплавов.
Внутриформенное вторичное модифицирование – более экономичный способ модифицирования, так как не требует затрат на модифицирование массивных частей литниковой системы (литниковая чаша, стояк). Модификатор растворяется полностью, так как находится в потоке металла, а не в воронке. Помимо этого масса литых вставок строго дозирована и определяется из расчета 0,1% от веса модифицируемого металла.
Состав предлагаемого к внедрению вторичного графитизирующего модификатора приведён в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав графитизирующего модификатора в виде литых вставок.
Химический состав, % | ||||
Si |
Al |
Ca |
РЗМ |
Fe |
|
70…78 |
3,2…4,5 |
0,3…1,5 |
~ 0,5 |
остальное |
Было выдвинуто предположение о том, что применение литых вставок на основе ферросилиция для графитизирующего модифицирования в форме (0,1% от массы металла в форме) позволит значительно улучшить форму шаровидного графита, продлить действие магниевого модификатора, уменьшить размер и обеспечить равномерное распределение графита по объёму металлической матрицы, предупредить появление цементита. Дополнительно ставилась задача получения высоких механических свойств (высокой прочности) и перлитной структуры ВЧ при ограничении на введение дорогостоящего никеля. Для этого планируется использование меди 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 первом этапе экспериментальных работ с целью обеспечения стабильного структурообразования высокопрочного чугуна в течение всего времени разливки ковша были проведены испытания литых вставок на основе ферросилиция для внутриформенного модифицирования в условиях действующего производства при изготовлении отливок коленчатого вала. Кроме того, была сделана попытка, с помощью литых вставок получить в литье структуру, соответствующую нормативам для нормализованных отливок - содержание феррита в структуре чугуна не более 8%.
Испытания модификатора проводились на линии «Georg Fisher» на модели коленчатого вала ВАЗ-2112 из высокопрочного чугуна марки Gh75-50-03. Это марка высокопрочного чугуна по принятому на ОАО «АВТОВАЗ» итальянскому стандарту - нормали FIAT-ВАЗ 52205 со следующими механическими характеристиками:
sв ³ 75 кгс/мм2, s0,2 ³ 50 кгс/мм2, d ³ 3%.
По серийной технологии получения отливок коленчатых валов из высокопрочного чугуна марки Gh75-50-03 в ковш вводится 5,4 кг лигатуры Ni-Mg-Ce и 3 кг ферросилиция ФС75. Кроме того, в литниковую чашу укладывается кусок ферросилиция ФС75 массой 150…200г или брикет ферросилиция ФС65Ба1 массой 170…220 г. По этой технологии в литом состоянии получается структура с содержанием феррита около 20%, который снижается до 8% при термообработке (нормализации).
Для получения в литье структуры коленчатых валов, соответствующей нормализованной (т. е. с содержанием феррита не более 8%) было необходимо снизить количество графитизирующего модификатора ФС75 с 3 кг до 2 кг. В результате проведённой работы были залиты коленчатые валы модели ВАЗ-2112. Из опытной плавки были взяты на исследование четыре коленчатых вала, из них один был испытан при натурных стендовых испытаниях на двигателе и три – на усталостную долговечность.
Коленчатый вал, установленный на двигателе, выдержал требуемые 600 часов ходимости, результаты испытаний на усталостную долговечность приведены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты испытаний коленчатых валов на усталостную долговечность.
|
Номер коленчатого вала |
Количество циклов до разрушения |
|
1 2 3 |
90 000 111 000 140 000 |
После испытаний был проведён металлографический анализ разрушившихся коленчатых валов. Микроструктура и твердость соответствовали марке Gh75-50-03.
По результатам работы на первом этапе – испытания литых вставок на основе ферросилиция, как модификатора для более эффективного вторичного модифицирования и без использования термической обработки (нормализации) получена требуемая микроструктура коленчатого вала. На следующем этапе работа по производству коленчатых валов без термообработки была расширена и на модель ВАЗ-2110.
Задача второго этапа работы – производство коленчатых валов без термообработки с получением перлитной структуры и требуемых механических свойств в литье.
Для оценки действия модификатора производилась заливка опытной партии отливок коленчатых валов модели ВАЗ-2110. Литая вставка массой 110 г устанавливалась в форму под стояк в специальное гнездо. Заливка производилась на линии «Georg Fisher». Одновременно заливались пробы для определения химического состава. От каждого опытного ковша после выбивки отбирался коленчатый вал для проведения металлографического анализа. Для оценки микроструктуры образцы вырезались из хвостовика и фланца. Для сравнения исследовались коленчатые валы, залитые по действующей технологии из этой же плавки. Химический анализ выполнен на спектроанализаторе «Квантовак ARL 2460». Металлографический анализ выполнен с помощью металлографического микроскопа UNIMET 8585, ф. Бюллер. Замеры твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) проводились на твердомере ТБ 5004.
Заливка опытной партии коленчатых валов производилась с комплексным модифицированием:
- в ковш – лигатура Ni-Mg-Ce + ФС75л-6 производилась в соответствии с действующим техпроцессом;
- в форму в качестве вторичного модификатора была установлена литая вставка массой (масса заливаемого металла примерно 60 кг).
Коленчатые валы отбирались из первой и последней залитых форм. Для сравнения были отобраны коленчатые валы, залитые по действующей технологии. Была исследована микроструктура всех шеек коленчатых валов, 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 серийном коленчатом вале (5…15%). Механические свойства коленчатых валов, залитых с модифицированием литыми вставками, соответствовали требованиям для марки 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 твёрдость коленчатых валов до 285 НВ и предел прочности на разрыв до 85 кгс/мм2 , однако содержание феррита осталось довольно высоким (15%). Затем был проведён эксперимент с уменьшением добавки ферросилиция ФС75 в ковш на 1 кг (до 2 кг). С заниженным содержанием модификатора был залит 1 ковш. Механические свойства и металлическая основа соответствовали необходимым требованиям.
Для снижения количества феррита в структуре коленчатых валов из ковшевого модифицирования была исключена добавка ферросилиция ФС75-5 и добавлена медь до 0,64%. В каждую форму устанавливалась литая вставка. Однако содержание феррита оставалось довольно высоким (10…15%). Для подавления свободного феррита было увеличено количество перлитообразующих элементов, одним из которых является марганец. В следующем эксперименте была введена добавка марганца в виде силикомарганца. Результат действия этой добавки – снижение количества феррита до 5%. Однако наличие кремния в силикомарганце привело к повышению кремния в составе чугуна, в результате чего твердость коленчатых валов оказалась на нижнем пределе. В связи с этим, силикомарганец был заменён ферромарганцем, и залитые по этому варианту коленчатые валы в литом состоянии полностью соответствовали требованиям по микроструктуре и механическим свойствам. В соответствии с этими рекомендациями была залита опытно-промышленная партия коленчатых валов модели ВАЗ-2110. Объём партии – 20 т (875 шт.). Из опытно-промышленной партии коленчатых валов были отобраны:
- 1 коленчатый вал для металлографического анализа;
- от 40-ка коленчатых валов в литом состоянии и 40-ка коленчатых валов в термообработанном отрезаны хвостовики для испытания на усталостную долговечность;
- по 4 коленчатых вала в литом и термообработанном состояниях испытания на усталостную долговечность.
- по 3 коленчатых вала в литом и термообработанном состояниях и разной накаткой галтелей испытания на усталостную долговечность.
Кроме того, по последним трем пунктам для сравнения были переданы серийные коленчатые валы в литом и термообработанном состоянии.
Были проведены исследования и испытания образцов, изготовленных из коленчатых валов 4-х вариантов:
1 – коленчатые валы, модифицированные вставкой, в литом состоянии;
2 - коленчатые валы, модифицированные вставкой, после термообработки (нормализации);
3 - коленчатые валы, изготовленные по действующей технологии, в литом состоянии;
4 - коленчатые валы, изготовленные по действующей технологии, после термообработки (нормализации);
Статические испытания показали, что внутриформенное модифицирование чугуна вставками повышает прочностные свойства коленчатых валов в литом состоянии - на 70 МПа, в термообработанном - на 40 МПа. Наименьшие прочностные свойства получены на серийном не термообработанном коленчатом вале, наибольшие на коленчатом вале, модифицированном литой вставкой после термообработки (вариант №4).
Заключение
1. Применение для вторичного модифицирования литых вставок на основе ферросилиция позволило получить отливки с требуемой микроструктурой и механическими свойствами без операции нормализации.
2. Вторичное внутриформенное графитизирующее модифицирование литой вставкой на основе ферросилиция взамен ферросилиция ФС75 в чаше позволило полностью исключить первичное графитизирующее модифицирование в ковше.
