Чугун CGI- революционное решение для автомобильной промышленности

Кто бы мог подумать, что мечта, зародившаяся более 50 лет назад, станет революционным решением для автомобильной промышленности только к 2005г.? Фирма SuperCast, небольшая компания, задумавшая создание нового суперметалла- чугуна CGI (чугун с вермикулярным графитом или ЧВГ), потратила многие годы на исследования, чтобы довести его до ума. Сегодня этот материал предназначен для достижения глобального успеха.

Чугун, обладающий вдвое большей прочностью по сравнению с чугуном, традиционно используемым для изготовления автомобильных двигателей, вот чего добилась фирма SinterCast (Катриненхольм, Швеция). При таком скромном начале тем более оглушительным стал успех – прорыв этой инновации на рынок промышленного производства. «До сих пор наиболее ценным моментом для нас был заказ от фирм Ford и PSA, ставшими первыми компаниями, использовавшими CGI (2003г) для массового производства, – отмечает С. Уоллес, руководитель технологического отдела фирмы SinterCast. – Можно полагать, что новый суперметалл CGI внесет революционные изменения в производство легковых и грузовых автомобилей. Комбинация чугуна с магнием, добавляемым к нему в строго определенных пропорциях, позволяет получить металлы, идеальные для дизельных двигателей, которые должны выдерживать очень большие давления. Их головки и блоки цилиндров изготавливаются теперь из CGI». Потребность в CGI возникла еще в 50-х годах, но технологии, необходимые для его производства, были разработаны значительно позже. Основные исследования проводились с 1983 г., когда была основана фирма SinterCast, и вплоть до 1991 г. «Мы затратили много времени на исследования затвердевания чугуна. Вначале мы сконцентрировались на базовых исследованиях с тем, чтобы быть абсолютно уверенными, что в чугун было добавлено нужное количество магния для управления созданием CGI. Сейчас при серийном производстве мы следим, чтобы количество магния на тонну чугуна не превышало 20 г»– объясняет С. Уоллес. Для продолжения своих работ фирма SinterCast нуждалась в финансовых средствах, с этой целью она была зарегистрирована на Стокгольмской фондовой бирже. Инновационные работы продолжались. Важное открытие было сделано в 1988-1997 гг., когда фирма SinterCast усовершенствовала свою технологию отбора проб. Процесс сопровождался анализом расплавленного чугуна перед добавлением в него точного количества магния и модификатора.

Второй задачей, которую требовалось решить для массового использования CGI- разработка инструмента для его обработки. В середине 90-х годов фирма SinterCast присоединилась к совместному проекту, в котором участвовало большое число фирм и предназначенному для дальнейшего продвижения знаний о CGI и создания четких стандартов для инструментов, используемых при его обработке. «Разработка режущих инструментов для обработки CGI была, разумеется, вызовом, поскольку этот материал обладает очень высокой прочностью. Мы знали, что пока не выйдем с приемлемым решением, новый материал не может быть использован для промышленного применения»,– отметил Уоллес. Кооперация между фирмами Sandvik Coromant  и SinterCast возникла в середине 90-х годов с целью выяснения обрабатываемости CGI, а также оптимизации режущих инструментов и материалов. Решение данной технической задачи и определило дальнейший коммерческий успех материала.

Очевидные преимущества этого материала создали немедленный спрос на него, за которым через несколько лет последовал коммерческий прорыв, когда фирмы Ford и PSA Peugeot Citroen объединили усилия для создания 6-цилиндрового V-образного дизельного двигателя объемом 2,7л из чугуна CGI. Сегодня двигатели с применением CGI фирмы SinterCast установлены на 12 различных марках автомобилей, его использовали уже 6 автомобильных брендов. «Мы уже знали, что наш чугун работает. Это было просто подтверждение, – говорит Уоллес.– Для нас было важно, чтобы кто-то стал первым, начав использовать CGI при массовом производстве. Тем самым мы смогли бы показать, что наш процесс отлично работает при крупносерийном производстве двигателей». Он говорит, что вся компания, а в ней занято 11 человек, преимущественно квалифицированных инженеров, знала, что успех совсем близок. «Автомобилестроители поняли, насколько важен используемый материал. Всегда говорилось о консервативности автомобилестроителей, но при этом все игроки на этом рынке заинтересованы в новых технологиях. У нас создалось впечатление, что сейчас большинство крупных автомобильных компаний проявляет интерес к CGI». Постоянный рост требований к охране окружающей среды делает интерес к CGI еще более сильным. Дизельные двигатели с использованием CGI могут работать при более высоких давлениях сгорания, при этом уменьшаются выбросы в атмосферу. Уоллес проявляет оптимизм относительно будущего компании. «Я считаю, что дизельный двигатель займет большую часть автомобильного рынка США, – говорит он. – стоимость бензина растет, а требования к окружающей среде повышаются». Однако потребность в CGI не ограничивается только производством автомобилей. Она проявляется в любой отрасли промышленности, где ценятся малая масса и большая прочность материала. Фирма General Electric производит в настоящее время двигатель для поездов, отвечающий последним требованиям к защите окружающей среды. Головки цилиндров у него изготовлены из CGI. К другим областям, где CGI постепенно завоевывает признание, относятся изготовление поршневых колец для судов и компонентов для силовых генераторов. Уоллес добавляет, что возможности производства небольших двигателей с использованием CGI становятся более реальными по мере увеличения сложности конструкции грузовых и легковых автомобилей. Причина спроста – меньший двигатель оставляет больше пространства  более сложным конструкциям. Но главнейшей причиной нынешнего интереса к применению CGI является характерное многим странам постоянное ужесточение требований к охране окружающей среды. Что бы произошло, если бы CGI не вышел на рынок как раз тогда, когда начали расти требования к чистоте выделений? «Основная задача при разработке двигателя состоит в том, чтобы обеспечивать его большую мощность. Именно это и делает CGI», – убежденно говорит Уоллес.

CGI было трудно получать в крупных промышленных объемах до тех пор, пока фирма SinterCast не разработала надежный процесс, при котором можно отслеживать образование частиц вермикулярного графита. Совсем не просто структурировать частицы графита, но именно количество этих частиц в чугунной матрице определяет все характеристики этого материала. Количество магния, вводимого в CGI, играет ключевую роль в том, будет ли получен графит в виде хлопьевидных образований, характерных для серого чугуна, или в виде шаровидных выделений, характерных для ковкого чугуна. CGI – промежуточный материал между этими двумя типами чугунов. Важно избежать образования хлопьевидного графита, хотя некоторое количество шаровидного допускается. Производство ЧВГ начинается на базе специального литейного чугуна, подлежащего соответствующей обработке. Количество первоначально введенного магния, остающегося после этой обработки, должно быть в определенных, строго устанавливаемых пределах, или это изменит вторичную обработку. В онлайновом режиме проводится точный анализ поведения магния при затвердевании чугуна, а обработанный посредством модификаторов базовый чугун определяют с помощью термического анализа. Дело в том, что образование характерной для CGI структуры графита происходит на относительно узком участке кривой нагрева при дополнительной обработке. Фирма SinterCast разработала специальную воронку для сбора образцов и термопару, с помощью которых можно измерять характеристики охлаждения образца массой 200 г. Это обеспечивает ускоренное измерение, используемое для активной коррекции режимов литья. С помощью системы контроля процесса определяется необходимое количество магния или модификатора, которое автоматически добавляется в чугун.

Свойства чугуна CGI

Новый CGI  во многих отношениях является промежуточным материалом между ковким и серым чугуном. Графит внутри микроструктуры чугуна сформирован в виде трехмерных вермикулярных частиц, придающих структуре графита для CGI кораллоподобный вид, очевидный при рассматривании в сканирующем электронном микроскопе. Морфология графита в CGI, связанная со скругленными кромками и неравномерными поверхностями частиц вермикулярного графита, обеспечивает хорошие адгезионные свойства между графитом и чугунной матрицей. Такая форма графита препятствует возникновению и распространению трещин, являясь источником как повышенных механических свойств по сравнению с серым чугуном, так и повышенной теплопроводности по сравнению с ковким чугуном. В результате CGI имеет вдвое большую прочность, чем алюминий. По сравнению с серым чугуном у ЧВГ на 75 % более высокий предел прочности на разрыв, на 45 % более высокая жесткость. Хотя это делает материал более труднообрабатываемым, в настоящее время разработаны способы его эффективной механической обработки. При повышенных температурах усталостная прочность CGI до пяти раз выше, чем у алюминия. По сравнению с ковким чугуном ЧВГ обеспечивает превосходные литейные свойства, теплопроводность и обрабатываемость. Все эти свойства CGI способствуют получению эффективных решений для сложных деталей, подвергаемых повышенным механическим и/или тепловым нагрузкам, что открыло путь для применения отливок из CGI в автомобильной промышленности.

Материалы предоставленны компанией Sandvik Coromant