КОНСТРУКЦИОННЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ ЧУГУНЫ.

Наиболее распространенными конструкционными материалами (КМ) в машиностроении являются чугуны и сплавы на основе системы Аl-Si. Они обладают рядом положительных качеств, однако имеют и существенные недостатки, связанные, в частности, с повышенной плотностью чугунов и пониженной температурой плавления силуминов. Это не позволяет широко использовать чугуны для облегченных фасонных отливок и накладывает ограничения по тепловым нагрузкам и рабочим температурам на изделия из силуминов. Поэтому разработка и промышленное освоение материалов, совмещающих преимущества этих групп сплавов и максимально лишенных их основных недостатков, представляет большой теоретический и практический интерес. Такими КМ могут быть конструкционные Аl-чугуны, исследование и разработка которых осуществляется в последние годы на кафедре физико-химии литейных сплавов и процессов СПбГТУ [1,2].

В зависимости от количества углерода, выделившегося в виде графита при первичной кристаллизации, синтетические Аl-чугуны (сплавы системы Fе-С-Аl) подразделяются на три основные группы:

• графитизированные низкоалюминиевые (НАЧ) <10% Аl; основные структурные составляющие: графит, α-фаза (феррит, легированный Аl), перлит (эвтектоид), Fe₃AlC_X;
• неграфитизированные промежуточной зоны (ПАЧ) - 10-19%Аl; структура: α-τаза, Fe₃AlC_X;
• графитизированные высокоалюминиевые (ВАЧ) - 20-25%Аl; структура: графит, α-фаза, при пониженном содержании Аl появляется Fe₃AlC_X , при повышенном – Al₄C₃ , присутствие которого приводит к саморазрушению сплава из-за взаимодействия карбида с парами воды.

Границы структурных зон и фазовый состав этих чугунов в реальных условиях в значительной степени определяются шихтовыми материалами, условиями плавки и обработки в жидком состоянии, скоростью охлаждения отливки в форме.

НАЧ, ПАЧ и ВАЧ обладают присущим каждому из них комплексом свойств, поэтому требовалось решение специфических задач для оптимизации их составов и разработки технологии получения из них фасонных отливок.

Низкоалюминиевые чугуны.

Исследовали влияние химсостава (3,2-3,8%C; 0,5-1,0%Si; 2,5-5,5%Аl), метода введения Аl (в твердую шихту, под зеркало расплава при 1400-1450°С), температуры перегрева в индукционной печи с основной футеровкой (1450-1500°С), состава и количество покровных флюсов и шлаков (CaF₂, Na₃AlF₆, CaCO₃, древесный уголь, графит), состава и количества сфероидизирующих (NiMg15РЗМ, NiMg10 - в ковш, ФСМг5 - в печь, ковш, форму) и графитизирующих (ФС75, СКЗО) модификаторов, фильтрационного рафинирования на структуру и свойства НАЧ при различных скоростях охлаждения образцов в литейной форме. Скорость охлаждения регулировали изменением диаметра литых образцов (d_обр=10...50 мм) и теплофизических характеристик сырой песчаной (ПФ) и металлической (МФ) форм. В качестве характеристической принята скорость охлаждения при 900°С - V=900°С/с, определяемая с помощью автоматизированного комплекса, разработанного на кафедре, для дифференциально-термического анализа (ДТА). Образцы для определения механических свойств вырезали из заливаемых в ПФ клиновых заготовок толщиной 15 и 25 мм.

Статистическая обработка результатов пассивных и планируемых экспериментов позволила получить систему регрессионных уравнений, отражающих влияние основных исследуемых факторов на структуру графитных включений (диаметр d_гр, мкм; количество по площади S_г, %; коэффициент формы Ф_г; количество N, шт./мм²) и металлической основы (П, Ф, Ц, γ, ИМ, % - количество, соответственно, перлита, феррита, цементита, Fe₃AlC_x, интерметаллидов). Для ПФ увеличение d_обр с 10 до 30 мм соответствовало изменению V₉₀₀ с 1,5 до 0,55°C/c, для МФ при d_обр=16 мм V₉₀₀=9,16°С/с, а при d_обр=34 мм V₉₀₀=1,71°С/с. При этом зависимость V₉₀₀=f(R), где R - приведенная толщина образца, для ПФ реализуется в виде гиперболы, для МФ - в виде экспоненты.

Применение проходных фильтров из графита, корунда и карборунда, а также плоских сетчатых фильтров из покрытой сажистым углеродом стеклоткани обеспечило снижение в образцах оксидов на 30-35%, однако это не оказало существенного влияния на стандартные механические свойства НАЧ. Для чугуна, содержащего 3,2-3,4%С; 0,8-1,0%51; 3,9-4,7%Аl, обработанного в печи 1,5% (от массы расплава) комплексным флюсом и модифицированного 1,1%NiMg15РЗМ+0,8%ФС75, получение Ф_г обеспечивается при V₉₀₀>0,55°С/с, а отсутствие карбидов - при V₉₀₀=1,1°С/с. При этом в стандартном клине реализовывалось: σ_в=515-600МПа, σ_0.2=415-570МПа, δ=0,5-3,0%, твёрдость 270-360НВ. При внутриформенном модифицировании свойства НАЧ ниже, что связано с повышенным содержанием Si. При 4,0-4,5%Аl жидкотекучесть по спиральной пробе λζ=850-880мм, стойкость в морской воде выше, чем у ЧШГ, но ниже, чем у хромистых чугунов.

Чугуны промежуточной зоны.

ПАЧ до настоящего времени не нашли применения в качестве КМ для получения фасонных отливок из-за повышенных твердости и хрупкости, обусловленных их структурой. Однако комплекс свойств, обеспеченный повышенным содержанием Аl (пониженная плотность, повышенные жаростойкость, коррозионная стойкость в различных средах, износостойкость) делают перспективным поиск путей, обеспечивающих частичную графитизацию ПАЧ и получение на их основе стабильно-половинчатых чугунов.

Исследовали влияние содержания Аl (15-19%), Cu (до 12%) и графитизирующего модифицирования на структуру и свойства ПАЧ. Условия проведения экспериментов были аналогичны условиям исследования НАЧ.

В чугуне базового состава принято содержание Аl - 16%, что обеспечивает не только получение половинчатой структуры, но также сплошность образующейся на поверхности образцов пленки Аl₂O₃. При введении только Сu или только ФС75 графитизирующий эффект не проявляется. При этом Сu повышает твердость чугуна, скапливается на межфазных и межзеренных границах, а при выдержке образцов Ш30 мм с 3, 6 и 8% Сu при 800°С в течение 5ч наблюдали эффект “выпотевания” Сu на поверхности образцов. Только совместное влияние Сu и ФС75 приводит к появлению графита в структуре ПАЧ. Статистическая обработка результатов экспериментов позволила получить систему регрессионных уравнений {Fe₃AlC_x, С_гр, HB, σ_изг=f(Cu, ФС75), использованных для оптимизации состава ПАЧ (16%Аl, 3%Сu, 2,1-2,3%С, 0,3-0,45%Si при введении в ковш 1,25% ФС75} при выполнении условий: σ_изг?max, С_гр>1,0%.

Полученный чугун обладал сравнительно низкой прочностью (σ_изг<300МПа), поэтому была поставлена задача сфероидизации включений графита за счет введения цериевого мишметалла (до 0,02%), СКЗО (до 1,2%), СК10Мг9 (до 0,5%). Введение 0,015% цериевого мишметалла обеспечило в чугуне с компактным графитом (ПАЧКГ) σ_в=280-300МПа, σ_изг=460-480МПа, 260-280 НВ и удовлетворительную обрабатываемость резанием.

При исследовании влияния скорости охлаждения (образцы Ш15, 20, 30, 60мм в ПФ и Ш20мм в МФ) на структуру и свойства ПАЧКГ выявлен диапазон V₉₀₀=0,7-0,9°С/с, соответствующий R=6-15мм, обеспечивающий благоприятную структуру с Фг≥0,65. Повышение скорости охлаждения привело к измельчению структуры, повышению микротвердости фаз и твердости чугуна, снижению прочности. Разработанный ПАЧКГ при T_пер=1480°С и T_зал⁼1380°С обеспечивал λζ=1050-1100мм; при этом линейная усадка 2,3%, предусадочное расширение 0,5%, объем усадочных раковин 3%. Выдержка ПАЧКГ при 900°С в течение 5ч почти в 2 раза увеличивает его электропроводность.

Высокоалюминиевые чугуны [1].

Чугуны второй графитной зоны под названием “чугали” известны несколько десятков лет, в частности, в ГОСТ 7769-82 “Чугун легированный для отливок со специальными свойствами” приводится чугун ЧЮ22Ш. Однако структура и свойства этого чугуна в значительной степени зависят от скорости охлаждения отливок, наряду с α-фазой и графитом могут появляться Fe₃AlC_x, Al₄C₃, что приводит к увеличению твердости и ухудшению обрабатываемости чугуна, его охрупчиванию и саморазрушению, снижению степени парамагнитности. Целью исследований являлась разработка составов и технологии получения ВАЧ, обеспечивающих возможность их использования для производства облегченных фасонных отливок, повышение механических и эксплуатационных свойств, предотвращение охрупчивания и саморазрушения.

Исследовали влияние Аl (19-25%) и легирующих элементов (Сu, Ti, Zr, В, Nb), скорости охлаждения {V₉₀₀=0,25-1,5°С/с), типа и количества сфероидизирующих модификаторов при ковшовом (цериевый мишметалл, NiMg15РЗМ, NiMg10, ФСМг5, СКЗО) и внутриформенном (ФСМг5) модифицировании; состава, метода введения и количества флюсов; конструкции литниковой системы; фильтрационного рафинирования (плоские сетчатые из покрытой сажистым углеродом стеклоткани, объемные керамические и графитовые проходные фильтры}, типа формы (сырая, сухая ПФ, кокиль) на структуру и свойства ВАЧ. Установлено, что при содержании Аl, соответствующем максимуму степени графитизации, и при модифицировании 0,012-0,015% цериевого мишметалла и 1,0-1,1%ФС75 в отливках с приведенной толщиной 2,5-7,5мм обеспечивается преимущественно структура α-фаза+графит, твердость чугуна 240-260НВ, σ_изг=700МПа. Ti и Zr раскисляют расплав, уменьшают содержание водорода, снижают опасность образования Аl₄С₃, способствуют повышению прочности и твердости чугуна, В и Nb повышают его износостойкость, Сu при содержании до 3% повышает антифрикционные свойства.

Чугун одного из рекомендованных составов обеспечивает в отливках с толщиной стенки 5-15мм (при литье в ПФ) структуру: α-фаза+графит с Ф_г=0,9-0,96. При этом в образцах, вырезанных из стандартной клиновой заготовки, σ_в=480-500МПа, δ=1,0-1,5%, 240-255НВ. Данные ДТА свидетельствуют об отсутствии фазовых превращений в ВАЧ и ПАЧКГ до 1100°С.

Сравнительную оценку износостойкости разработанных чугунов проводили согласно ГОСТ 23.208 в среде электрокорунда при использовании эталона из стали 45. Коэффициент износостойкости (К_и) рассчитывали по потере массы образцов, который для различных чугунов имел следующие значения: ВАЧ - 1,46, ПАЧКГ - 1,25, НАЧ - 0,96, СЧ20 - 0,74.

Стойкость чугунов в жидких алюминии и силумине определяли на образцах Ø24 и длиной 50мм при их выдержке в расплавах в течение 4ч при 720 и 800°С. Стойкость чугунов оценивалась по относительной потере массы образцов (таблица).

Материал	Растворимость, г/мм2ч, 10-4
	алюминия	силумина
СЧ 20	6,4 / 8,0	6,8 / 9,4
НАЧ	3,6 / 6,2	4,7 / 6,5
ПАЧГ	1,2-1,3 / 3,8-4,2	1,1-1,3 / 3,9-5,2
ВАЧ	1,1-2,4 / 3,7-4,7	0,7-1,0 / 2,8-4,7
Ст.4Х5МФС	1,3 / 3,5	11,7 / 5,5

Примечание. В числителе - при 720, знаменателе - при 800°С

На образцах из СЧ20 и НАЧ наблюдали разъедание отдельных участков поверхности, поверхность образцов из ВАЧ и ПАЧКГ покрывалась серым налетом. Наиболее стойкими в исследованных расплавах оказались образцы из ВАЧ и ПАЧКГ, при этом структура и твердость чугунов под воздействием расплавов практически не изменялись.

Таким образом, по уровню механических и специальных свойств разработанные ВАЧ – наиболее перспективный КМ для изготовления облегчённых фасонных отливок общего и специального назначения, например, для блоков и головок блоков цилиндров, элементов системы выхлопных газов автомобилей; оснастки, работающей при высоких температурах и в условиях теплосмен; деталей погружных насосов и других ответственных деталей.

В настоящее время разрабатывается промышленная технология получения отливок из ВАЧ на специализированных участках, в частности на ЗАО “Центролит” (г.Тихвин).

Г.А.Косников, Л.М.Морозова

Список литературы:

1. Косников Г.А., Суханов А.С. Высокоалюминиевые чугуны промежуточной зоны // Литейное производство. – 1999г. - №2. – с.5,6.
2. Косников Г.А.,Морозова Л.М. Алюминиевые конструкционные чугуны для облегчённых отливок ответственного назначения // Литейное производство. – 1997г. - №5. – с.19-29.