Формирование Структуры Чугунных Отливок При Литье По Газифицируемым Моделям ( Лгм - Процесс )

В процессе разработки технологических основ получения точных отливок с управляемой структурой и свойствами в литейных песчаных формах с дифференцированными теплофизическими характеристиками проведены исследования формирования структуры чугунов в отливках при изменении термодинамических и кинетических факторов их затвердевания. Интенсивность теплоотвода от поверхности отливки является решающим фактором, определяющим скорость охлаждения металла, а толщина стенки отливки и теплопроводность формы являются наиболее удобными для регулирования двумя параметрами, которые одновременно оказывают существенное влияние на скорость затвердевания и охлаждения металла в литейной форме.

С целью изучения влияния вышеуказанных факторов на структуру чугунных отливок в условиях опытного производства был проведен ряд опытных плавок и изготовлены образцы по описанной ниже методике. Объектом исследования являлись серые и высокопрочные чугуны, выплавленные в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой. В качестве шихтовых материалов применяли литейные и передельные доменные чушковые чугуны (ГОСТ 4832-80, ГОСТ 805-80), возврат серого и высокопрочного чугунов, стальной лом (ГОСТ 2787-86), ферросилиций ФС25 и ФС45. Химический состав чугуна: углерод 3,4-3,6 %; кремний 2,2-2,7 %; марганец 0,4-0,5 %; сера 0,012-0,015 %; фосфор 0,1 %.

Для сфероидизации графита при получении ЧШГ применяли кремний-магниевую лигатуру типа ФСМг (ТУ 14-5-134-86) производства (г. Гельмязев, Украина). Сфероидизирующие присадки  в дробленом виде, фракция 0,5-5 мм, вводили в разливочный ковш в начале наполнения его жидким металлом. Расход лигатуры составлял 2-2,2 % от массы жидкого металла. Сфероидизирующее модифицирование проводили при температуре 1450-1480 °С.После взаимодействия лигатуры с жидким чугуном счищали шлак с зеркала металла и проводили обработку чугуна графитизирующими модификаторами. В качестве графитизирующих модификаторов (ГМ) применяли ФСБа65, фракции до 0,3 мм.

Для изучения структуры и механических свойств отливок из чугуна в вакуумируемых формах из сухого несвязанного кварцевого песка и чугунной дроби фракции 0,2—1,0 мм. по технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемую форму с разрежением 50±5 кПа отливали ступенчатые пробы размером 400×100 мм с четырьмя ступенями различной толщины: 20 мм, 15 мм, 10 мм и 5 мм. На пенополистироловые модели плотностью 0,024-0,026 кг/м3 наносилось противопригарное покрытие на основе высокоогнеупорного наполнителя толщиной 0,5÷0,6 мм. Одновременно заливались образцы по моделям без покрытия и с покрытием. Чертеж модельного блока и фото полученной отливки показаны на рис.1, на рис. 1,б виден механический пригар на поверхности отливки по неокрашенной модели.

При исследовании температурных полей пробы температуру измеряли с помощью четырех хромель-алюмелевых (ХА) термопар с незащищенными спаями. Методика проведения эксперимента по снятию термовременных кривых охлаждения ступенчатой пробы (термический анализ) заключалась в следующем: в геометрический центр каждой ступени вводили «горячий» спай ХА - термопары, каждая из которых была подключена к многоканальному устройству МИРТ-8 для измерения и регистрации температуры. Рис. 1а Ступенчатая проба для исследования затвердевания и охлаждения чугуна.

Отливка ступенчатой пробы.

 Прибор представляет собой автономный многоканальный помехозащищенный измеритель термо-ЭДС с выполнением функции преобразования термо-ЭДС в значения температуры, фиксацию полученной информации в энергонезависимой памяти с последующей передачей в персональный компьютер, что обеспечивается применением соответствующего программного обеспечения, микропроцессора и другой современной элементной базы, специально предназначенной для работы в аппаратуре с автономным питанием. Преобразование выполняется с компенсацией температуры “холодных” концов термоэлектрических преобразователей с учетом нелинейности нормированной стандартной характеристики термоэлектрического преобразователя. МИРТ-8 позволяет регистрировать температуру по восьми каналам с периодичностью опроса от 0,25 с до 5 с. Возможное время записи  в зависимости от количества опрашиваемых каналов и периодичности опроса колеблется от 16 до 640 минут. В нашем опыте запись температуры производили по 4-м каналам с периодичностью опроса 0,5 сек. Продолжительность опыта составляла 16 минут.  После проведения экспериментальных работ, прибор отсоединяли от компенсационных проводов термопар и подключали к компьютеру для считывания информации. Полученные данные преобразовывали в таблицу, которую использовали для построения графических зависимостей.

Ход температурной кривой кристаллизации сплава определяется соотношением скоростей выделения скрытой теплоты кристаллизации и отвода теплоты от кристаллизующегося объема. При сохранении постоянных условий технологии плавки и заливки металла изменения в характере температурной кривой кристаллизации расценивали как результат изменения условий теплоотвода. Из данных термического анализа затвердевания пластины толщиной 20 мм из отливок видно (рис. 2а, 2б), что кристаллизация отливок, полученных при использовании в качестве наполнителя формы металлической дроби, происходит при ускоренном охлаждении по сравнению с кварцевым песком, и как следствие, при относительном переохлаждении DТэ равном примерно 15 °С для  ЧПГ и ЧШГ. Относительное переохлаждение расплава DТэ определяли как разность между уровнями эвтектических остановок при эвтектической кристаллизации ЧПГ и ЧШГ в формах с наполнителями из кварцевого песка и металлической дроби.

Как показал микроструктурный анализ образцов из ступенчатых проб ЧПГ (рис.3), замена кварцевого песка в качестве наполнителя формы на металлическую дробь приводит к изменению морфологии и размеров графитных включений  в стенках отливок разной толщины. Особенно эти изменения заметны в пластине толщиной 5 мм и в поверхностных слоях глубиной  до  2  мм  пластин  толщиной  10, 15, 20 мм. Наблюдающиеся здесь

Охлаждение ЧШГ в сыпучем наполнителе (ряд 1-кварцевый песок, ряд 2 – металлическая дробь) Охлаждение СЧ в сыпучем наполнителе (ряд 1-кварцевый песок, ряд 2 – металлическая дробь)

 Форма и размер графита в отливках ЧПГ.Наполнитель формы: а, б – кварцевый песок; в, г – металлическая дробь; толщина отливки, мм: а, в – 5; б, г – 15, х100 формы междендритного точечного графита Гр4 и ПГр8 (тонкодифференцированная графитная эвтектика) кристаллизуются при большом переохлаждении вне зависимости от причин, обусловивших его появление, и имеют характерное название "переохлажденный". Применение этого термина допускается, когда речь идет о переохлаждении жидкого раствора, что в нашем случае согласуется с данными термического анализа [1].

Известно, что ликвационные явления при кристаллизации Fe-С-Si сплавов влияют на изменение концентрационно - температурных условий образования избыточных и эвтектических фаз и их количественные соотношения, обусловливают переход в процессе эвтектического превращения от стабильного варианта к метастабильному, возникновению неравновесных фаз и различных структурных модификаций эвтектики. Химическая неоднородность ликвационного происхождения отражается после затвердевания на структурно-кинетических особенностях  распада переохлажденного аустенита.

Образование в тонких слоях у поверхности отливок графита ПГр 4 и ПГр 8 в условиях ускоренной кристаллизации подавляет кристаллизацию ледебурита в этих местах. Возникающие граффито - аустенитные колонии отличаются очень тонкой дифференцировкой графитного агрегата, в результате чего диффузионные расстояния на фронте кристаллизации А+Г агрегатов значительно сокращаются. Поэтому такие колонии характеризуются четко выраженным кооперативным ростом, типичным для тонких эвтектик и позволяющим успешно конкурировать графитной эвтектике в скорости роста с цементитной эвтектикой [2]. Это является причиной того, что металлической основой в формах графита ПГр4 и ПГр8 чаще всего является феррит, для которого также иногда применяют термин "феррит переохлаждения" [3] (рис.4). Все вышесказанное объясняет микроструктуру, наблюдаемую в пластине толщиной 5 мм и в поверхностных слоях пластин 10, 15 и 20 мм, полученной в форме из металлической дроби. В центральных частях пластин толщиной 10, 15 и 20 мм изменения микроструктуры по сравнению с отливкой, полученной в кварцевом песке не столь значительны. Морфология графитных включений не меняется, наблюдаются некоторые изменения графита и уменьшается диаметр граффито - аустенитных эвтектических колоний (первичного зерна) с 250 мкм при наполнении формы кварцевым песком до 200 мкм при заливке в металлическую дробь. Т.е.  в центральных частях пластин толщиной 10, 15 и 20 мм происходит измельчение элементов первичной структуры при кристаллизации примерно на 20%. Металлическая матрица в обоих случаях практически одинаковая.

Микроструктурный анализ отливок из ЧШГ показал, что использование в качестве наполнителя формы металлической дроби и возросшая при этом степень переохлаждения расплава при кристаллизации с увеличением скорости теплоотвода, а значит и скорости охлаждения, приводит к увеличению числа шаровидных включений графита в 1 мм2 площади шлифа в сечениях 10, 15 и 20 мм. Если в форме из кварцевого песка эти значения были 224, 168 и 148 ед., то в форме из металлической дроби - 316, 220, и 165 ед. в сечениях 10, 15 и 20 мм соответственно, поскольку с увеличением скорости охлаждения, а следовательно и степени переохлаждения расплава чугуна, повышается способность в расплаве к самопроизвольному возникновению центров кристаллизации, т.к. действие имеющихся в расплаве зародышей кристаллизации ослабляется интенсивностью теплоотвода [4].

В металлической основе также происходят структурные изменения под действием увеличивающейся скорости кристаллизации расплава ЧШГ. В каждом сечении ступенчатой отливки из ЧШГ изменяется соотношение перлит – феррит  в сторону увеличения количества перлита, количество ферритной составляющей сокращается (рис.5). Так, если в пластинах сечением 10, 15 и 20 мм из отливки, полученной в форме из кварцевого песка доля перлита в металлической  основе составляет 30-40 %, то в отливке, полученной в форме из металлической дроби доля перлита увеличивается до 70-85%. Наибольшее изменение в отношении характера металлической матрицы наблюдается в пластине толщиной 5 мм. из отливки, полученной в форме из Металлическая основа в отливке ЧПГ.

Наполнитель формы: а, б – кварцевый песок; в, г – металлическая дробь. Толщина отливки, мм: а, в – 5; б, г – 15, х 500 металлической дроби. Здесь наименьшее количество феррита (Ф5), наибольшее перлита (П95). Увеличение переохлаждения DТэ, а значит и скорости охлаждения, в этом случае приводит к кристаллизации расплава частично по стабильной системе  и образованию в структуре металлической основы цементита (Ц 10) в виде отдельных изолированных включений, расположенных в перлите неравномерно по площади шлифа.

Микроструктура в отливках из ЧШГ, х100

Наполнитель формы: а), б), в), г) – кварцевый песок; д), е), ж), з) –      металлическая дробь; толщина отливки, мм: г), з) – 5; в), ж) – 10; б), е) – 15; а), д) – 20 мм

Подводя итоги проведенных исследований, пришли к следующим выводам:

1. Термический анализ процесса затвердевания  ЧПГ и ЧШГ показал, что кристаллизация расплава (образование аустенито - графитной эвтектики) в форме из металлической дроби происходит при ускоренном охлаждении и, как следствие, при относительном переохлаждении расплава DТэ равном примерно 15 °С.

2. Анализ микроструктур исследованных отливок показал, что при прочих равных условиях применение металлической дроби как наполнителя формы при литье по газифицируемым моделям: уменьшает дисперсность графитных включений; приводит к измельчению граффито - аустенитных эвтектических колоний (первичного зерна) на 20%; увеличивает число шаровидных включений графита в 1 мм2 площади шлифа и долю перлитной составляющей в металлической основе.

3. Наибольшие изменение в морфологии структурных составляющих проявляются в пластине толщиной 5 мм для ЧПГ и ЧШГ и в поверхностном слое глубиной до 2 мм в пластинах толщиной 10, 15 и 20 мм.

4. В случае необходимости исключения неблагоприятных структурных составляющих (графита ПГр4, ПГр8 и цементита) следует корректировать технологические параметры получения чугуна, применяя его графитизируещее модифицирование, либо снижать скорость затвердевания, переходя на форму из кварцевого песка.

Список литературы

 1. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна.—М.: Металлургия.-1969.-416 с.

2. Таран Ю.Н.  // Известия АН СССР. Металлы.-1965.-№ 3.-с. 131.

 3. Чугун: Справочное издание / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова.—М.: Металлургия.-1991.-576 с.

 4. Богачев И.Н. Металлография чугуна.—Свердловск: Металлургиздат.-1962.-392 с.