Фесенко М.А., Фесенко А.Н., Косячков В.А.*, Беляев А.В.

Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

*Национальный технический университет Украины ,,КПИ”, г. Киев

ПОЛУЧЕНИЕ ДВУХСЛОЙНЫХ ОТЛИВОК С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМИ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ВНУТРИФОРМЕННОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

К отдельным частям многих деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа, иногда предъявляются диаметрально противоположные требования по механическим и эксплуатационным свойствам. Чаще всего такие детали должны иметь твердую износостойкую рабочую поверхность и мягкую ударостойкую сердцевину, матричную основу или элементы монтажного крепления.

Износостойкость рабочей поверхности отливок в достаточной степени могут обеспечить карбиды железа в ледебуритной эвтектике белого чугуна, а повышенную пластичность и ударную вязкостью – магниевый высокопрочный чугун с шаровидным графитом ферритного класса.

Широко известные способы дифференциации структуры и свойств металла в локальных частях отливок базируются на выплавке белого и серого чугунов в двух отдельных плавильных агрегатах с последующей одновременной или последовательной их заливкой в общую литейную форму. При этом, сфероидизирующее модифицирование магнием и его сплавами для преобразования хрупкого серого чугуна в высокопрочный применяется в исключительно редких случаях.

Большинство из разработанных методов сфероидизирующего модифицирования расплавленного металла легкоиспаряющимся, легкоокисляющимся магнием и его сплавами небезопасны и не отличаются стабильностью результатов. Исключение составляет так называемый "INMOLD"-процесс или метод внутриформенного модифицирования. По этому методу гранулированный магнийсодержащий модификатор загружается в специальную полость литниковой системы, называемую реакционной камерой, в которой он равномерно и полностью растворяется в потоке жидкого металла непосредственно за время заливки формы, чем и обеспечивается однородность свойств высокопрочного чугуна по сечению отливки. В то же время при существенном отклонении технологических параметров процесса от оптимальных значений отливки могут оказаться бракованными по вине неоднородности металла в различных сечениях.

Руководствуясь принципом превратить ,,вред на пользу” данный недостаток внутриформенного модифицирования решили использовать для целенаправленного получения двухслойных отливок с дифференцированными структурой и свойствами в верхней и нижней части с различным сочетанием слоев из белого, серого и высокопрочного чугунов.

Идея предложенного способа заключается в разделении потока расплава исходного серого или белого чугуна во время заливки литейной формы на два, один из которых направляется непосредственно без обработки или после внутриформенного модифицирования в реакционной камере литниковой системы графитизирующим, сфероидизирующим или карбидостабилизирующим модификатором в одну часть полости формы, в то время как второй поток поступает в другую часть полости формы после модифицирования в реакционной камере другим по функциональному назначению модификатором.

Для подтверждения возможности получения на практике чугунных отливок с дифференцированными структурой и свойствами в нижних и верхних слоях с использованием технологии внутриформенного модифицирования расплава базового чугуна, а также исследования влияния основных факторов процесса на структуру и свойства чугуна в таких отливках в качестве объекта исследования выбрали призматическую отливку размером 240´120´50 мм массой 10,0 кг, с двумя независимыми литниковыми системами. Экспериментальные отливки получали по двум технологическим вариантам.

По первому технологическому варианту исходный белый чугун в начале заливали через первую литниковую систему, подводящую металл непосредственно в полость литейной формы с последующей доливкой через вторую независимую от первой литниковую систему включающую реакционную камеру со сфероидизирующим ферросилициймагниевым (ФСМг7) модификатором с выдержкой между двумя этапами заливки.

По второму технологическому варианту чугун эвтектического состава пропускали через реакционную камеру первой литниковой системы с карбидостабилизирующим никельмагниевым (НМг15) модификатором, а после временной выдержки между двумя этапами заливки через вторую литниковую систему со сфероидизирующим железокремниймагниевым модификатором.

Экспериментально установили, что дифференциация структуры и свойств чугуна в верхней и нижней части отливки с толщиной стенки 50 мм и массой 10 кг, как в первом, так и во втором случае достигается при 80…90 секундной выдержке между двумя этапами заливки формы.

При этом в структуре чугуна нижней части отливки наблюдается образование дендритов первичного аустенита, между которыми располагалась ледебуритная эвтектика. Структура чугуна верхней части отливки состояла из включений графита правильной шаровидной формы в феррито–перлитной металлической матрице. В результате дифференциации микроструктуры достигается разница твердости между верхней и нижней базовыми плоскостями отливки до 140...150 НВ. При этом твердость верхней матричной поверхности отливки в литом состоянии составляет 220...240 НВ, а нижней рабочей – 380...400 НВ.

Предложенный способ дифференцированного модифицирования чугуна в литейной форме является перспективным для изготовления биметаллических бронефутеровочных плит мельниц, склизов бункеров, щек и молотков дробилок, прокатных валков, шкивов и других отливок с износостойкой рабочей поверхностью и вязкой ударостойкой матричной основой.