Общие сведения о модифицировании чугуна

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1. Общие сведения о модифицировании чугуна.

 

         Модифицирование является одним из наиболее эффективных методов воздействия на кристаллизацию с целью получения благоприятной структуры графита и матрицы, а следовательно, и высоких свойств отливок и применяется поэтому для всех чугунов повышенных марок. Применяемые модификаторы можно класифицировать как графитизирующие , стабилизирующие и сфероидизирующие (графитизирующие). Механизм  действия модификаторов весьма разнообразен и заключается либо в образовании поверхностной пленки на вынужденных зародышах (модифицирование 1 рода), что уменьшает скорость их роста, увеличивает переохлаждение ∆T и количество зародышей и измельчает, а также измельчает форму растущего графита, либо в образовании дополнительных вынужденных зародышей (модифицирование 2 рода), что увеличивает их количество и измельчает графит, несмотря на уменьшение ∆T, а значит, и увеличение их критического размера, либо в образовании карбидов, легко распадающихся во время или после затвердевания (так называемый «карбидный эффект» или «самоотжиг»), что ведет к образованию шаровидного графита (ШГ).

        Количество современных модификаторов очень велико; например, одних только графитизирующих присадок насчитывается около 150 [6], причем наиболее эффективные из них являются комплексными (даже применяемый ферросилиций по существу тоже является комплексным модификатором, так как, кроме кремния содержит еще некоторое количество алюминия и кальция). То же можно сказать и о графитизирующих модификаторах. Однако не все составляющии сложных модификаторов являются по существу модифицирующими; некоторые из них только повышают эффективность модифицирующего воздействия других составляющих путем раскисления, десульфурации, дегазации и иных процессов или являются просто легирующими элементами. Различить их можно по влиянию при присадке элемента к чугуну, чистому по примесям, или по «живучести», т.е. длительности действия после их присадки [3]. Модифицирующее действие обычно полностью исчезает в течении 10-25 минут. Сохранение этого действия присадок важно, особенно при крупном литье, где длительности транспортировки, заливки и затвердевания металла сравнительно велики, и живучести модификатора может не хватить. В таких случаях применяются разные меры, в том числе и модифицирование непосредственно в форме. Поэтому при выборе модификаторов следует принимать во внимание не только прямую их эффективность, но и живучесть, а также, конечно, их дефицитность и стоимость.

 

2. Модифицирование серого чугуна.

 

В производстве отливок из СЧ применяются, главным образом, графитизирующие  модификаторы для измельчения графита, устранения отбела и МГ, а иногда и частично сфероидизирующие для  образования графита благоприятной  формы, в часности вермикулярного графита  ВГ. Поэтому модифицирование СЧ целесообразно только при низком содержании углерода, кремния и других графитизирующих элементов или при повышенной концентрации элементов,препятствующих графитизации, а также при высокой термовременной обработки жидкого чугуна, быстром охлаждении, применении в шихте большого количества стали и передельного чугуна т. е. в условияхвысокого ∆T и, эначит при производстве чугунов высоких марок [1, 3, 7]. Применяемые модификаторы при этом весьма разнообразны по составу (табл.1.1). Однако точных данных об их эффективности нет, хотя в литературе по этому вопросу приводят многочисленные исследования; результаты некоторых из них представлены на рисунке1.1.

Рисунок 1.1. Сравнительное  влияние разных модификаторов на структуру и свойства чугуна с Sэ = 0,77: a – немодифицированный; б-модифицированный; в-без перегрева:

ОП – относительная  прочность; n – число включений графита на 1см;

 ОТ – относительная  твердость; ПК – показатель  качества

    

Это обьясняется, очевидно тем, что эффективность тех или  иных модификаторов эависит от разнообразных  условий производства. Поэтому их выбор приходится производить опытным  путем, и рекомендации на разных заводах различны.Так, на Уральском заводе тяжелого машиностроения лутше свего зарекомендовала себя смесь ФС75и СК30 в отношении 1:1; на Московском заводе «Станколит» используется преимущественно ФС75, хотя и признается благоприятное влияние Ba, St и других элементов [7], особенно полезных в соотношении живучести. Высокое же содержание Al, как это считается на многих предприятиях, не всегда рекомендуется, так как оно способствует образованию пористости. Если необходимо устранить отбел без особого влияния на механические свойства чугуна (например, на поршневых кольцах и других тонкостенных отливках), можно пользоватся наиболее простым и дешевым модификатором – черным графитом (табл1.1)

Большое внимание в наше время уделяется модифицированию редкоземельными металлами [4], в том числе Ce, Y, которые в небольших количествах (0,03- 0,1%) способствуют графитизации, а в количестве 0,15-0,25% приводят к получению ВГ и резкому повышению прочности и пластичности чугуна. Весьма интересны в этом положении является Y, который поставляется в виде разных сплавов; YFe, YSiCa и др. хорошие результаты получаются при применении лигатуры, содержащей 30% РЗМ, в том числе 4,5% Y, и 40-45% Si. В этом случае ВГ получается в низкосернистом чугуне при вводе 0,5-0,7% лигатуры; но для устранения отбела, как и при ВЧШГ, необходимо вторичное модифицирование. Степень усвоения РЗМ повышается с понижением температуры обработки и уменьшением содержания серы в металле и колеблется в больших пределах (от 30 до 90%). Во всех случаях следует иметь в виду, что при высоком содержании кальция лигатура плохо усваивается чугуном при низкой температуре; лигатуры же с высоким содержанием РЗМ не только дороги, но часто отбеливают чугун [8].

Особый интерес представляет суспензионное литьё [15], в котором роль модификатора играют микрохолодильники. При вводе в чугун 3% железного порошка ПЖ-2М или 1-1,5% чугунной дроби марок ДЧЛ-3,0 σ_в повышается на 25-30%. Ввод ПЖ-2М, кроме того, повышает квазиизотрапию отливок в отношении как σ_в , так и НВ [9].

Кроме модифицирования твердыми добавками, применяют также жидкое модифицирование путем добавки  жидкой стали или смешивания разных чугунов. Это повышает свойства чугуна и однородность в разных сечениях не только эа счет изменения состава  и эвтектичности, но и за счет модифицирования. Например, наблюдается следующие относительное повышение свойств СЧ при модифицировании жидкой сталью (10%): σ_и – 46%,f – 34%, HB – на28%.

В качестве особых методов модифицирования можно указать на продувку порошкообразным СaC₂ (при этом одновременно происходит обессеривание чугуна) или газами: природным газом, метаном, азотом, аргоном и др .

Обычные модификаторы вводят в желоб, в струю металла, в ковш или в форму, применяя при этом специальные дозаторы [10]. Подготовка модификаторов сводится к их измельчению и отсеву пыли, т.е. зерен размером меньше 0,5мм. Размер зерен зависит от емкости ковша и способа ввода; чем больше ёмкость ковша, тем крупнее могут быть зерна модификатора, так как мелкие зерна легкоокисляются и уносятся с газами или запутываются в шлаке (таб. 1.2).

 

Таблица 1.1. Рекомендуемый размер зерен.

Масса металла в ковше, т	До 0,5	0,5-2	2-10	10-25
Размер зерен модификатора, мм	1-2	2-5	5-15	15-25

 

Перед употреблением рекомендуется  прокаливать модификатор при 300-400^оС; во избежание окисления дробить его нужно не более, чем за 12ч до присадки; он должен быть чистым, сухим, не окисленным. Расход модификатора зависит от его состава, состава чугуна, природы шихтовых материалов, условий плавки, технологии ввода, конструкции отливки и марки чугуна и колеблится, например, при ФС75 в пределах от 0,1 до 2% (таб1.2):

Таблица1.2.

Марка чугуна	СЧ24-44	СЧ28-48	СЧ32-52	СЧ36-56	СЧ40-60	СЧ44-64
Расход ФС75,%	0,2-0,4	0,3-0,5	0,4-0,6	0,6-1,0	1,3-1,6	1,5-2,0

 

При  применении силикокальция  расход модификатора может быть уменьшен на 20%. Усвоение Si из него колеблится в пределах 70-90%. После ввода модификатора металл целесообразно перемешать механически, вибрационно, барботацией и другими методами. Перегрев чугуна при модифицировании должен быть тем больше, чем выше марка чугуна; обычно он находится в пределах 1370-1430 ^оС. Во избежание демодифицирования продолжительность выдержки чугуна не должна быть больше живучести модификатора. Например, для ФС75 и СК применяется выдержка, не привышающая следующих значений (таб. 1.3):

Таблица 1. 3.

Масса металла в ковше, т	До 0,5	0,5-2	2-10	10-25	>25
Допустимая выдержка, мин	5	8	10	15	20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графитизирующие модификаторы для серого чугуна (Таблица 1.4)

3. Способы ввода графитизирующих модификаторов в чугун

 

1. В ковш во время заполнения металлом

 

 

Для ковшей малой емкости  при индивидуальном с серийном производстве.

2. В ковш во время запомнения металлом с помощью дозатора

Для ковшей большой емкости  при индивидуальном и серийном производстве

 

3. На желоб вагранки во время заполнения ковша с помощью дозатора, прикрепленного к корпусу вагранки

Для мелких и средних ковшей при серийном и массовом призводстве

4. Через промежуточный ковш-растворитель, в который модификатор поступает из дозатора или с качающегося встряхивающего желоба

Для ковщей емкостью более 1т  при индивидуальном и серийном производстве

5. Под зеркало металла с помощью колокола или специального устройства для погружения модификатора

Для ковшей большой емкости  при невозможности заполнить их из одного выпуска

6. В литниковую чашу специальной конструкции (с перегородкой) или   в специальный карман в литниковой системе

Для крупных отливок в  индивидуальном производстве и для  мелких и средних отливок при  серийном производстве.

В случае  появления признаков  демодифицирования чугуна рекомендуется  повторная обработка модификатором. Контроль качества модифицирования производится по высоте отбела клиновой пробы. Контрольные пробы отливают через 5-15 минут.

В результате модифицирования повышаются не только механические свойства чугуна, но и однородность структуры и свойств по сечению отливки, что улутшает их обрабатываемсть резаньем даже при большой НВ. Однако модификация не может, конечно, заменить легирование для получения чугуна с особыми свойствами, хотя некоторые из этих свойств, например износостойкость, повышаются при модифицировании. Во всех случаях следует иметь в виду, что эффективное модифицирование требует тщательного контроля исходных материалов, процесса плавки и заливки.

 

 

4. Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами

 

Способы обработки жидкого  чугуна сфероидизирующими модификаторами очень разнообразны и зависят от типа модификатора, массы модифицируемого чугуна и других факторов.

Схема а.В гермитизированный ковш или копильник вводится чистый Mg (можно вводить сплав электрон или легковесную лигатуру) с помощью колокала с отверстиями. Колокол-испаритель представляет собой металлический или графитный стакан, укрепленный на штанге. Боковая поверхность колокола имеет ряд отверстий. Колокол погружается в ковш, заполненный чугуном; при этом пары Mg, проходя через отверстие, пронизывают расплав. Интенсивность кипения Mg регулируется автоматически или вручную путем изменения давления в период модифицирования или создания постоянного давления, которое к концу процесса должно оставаться несколько выше упругости паров Mg . Недостаток способа – сложность герметизации ковша, необходимость изготовления, зарядки и замены колоколов, а в случае открытого ковша – выброс металла и недостаточное усвоение Mg.

 

Рисунок 1.2. Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими присадками

Схема б. В открытый ковш или копильник вводятся калиброванные магниевые прутки или проволока. Недостатки – длительность процесса и зашлаковывание в месте ввода прутка.

Схема в. В гермитизированный ковш поступает из испарителя парообразный Mg. Обработка чугуна парообразным Mg характеризуется низкими тепловыми потерями, так как суммарная теплота нагрева, плавления и испарения Mg составляет примерно 1800-2000 ккал на 1 кг Mg. Недостаток – сложность устройства испарителя в герметизации ковша.

Схема г. В автоклав помещают ковш с чугуном, создают избыточное давление сжатым воздухом 5-6 атм [(5-6)10⁵Па] и с помощью колокольчика на плунжере вводят Mg. Иногда одновременно колокольчиком перемешивают чугун. Усвоение Mg составляет 40-60%. В автоклав конструкции НИИСЛ, которые выпускает Тираспольский завод литейных машин, Mg укладывается до закрытия крышки в бункер, дном которого является диск мешалки. При первом ходе мешалки Mg сбрасывается на поверхность чугуна и перемешивается [5]. Привод автоклавов гидравлический, корпус водоохлаждаемый. Вода циркулирует в полости между цилиндрической частью корпуса и наружным кожухом. Днище и крышка футерованы. Крышка прижимается к корпусу механическими зажимами. Управление автоклавами дистанционное с пульта. После создания давления чугун и Mg перемешиваются механически; применяют графитовые, металлические,футерованные огнеупорной массой или керамические мешалки. Длительность перемешивания в зависимости от количества вводимого Mg, температуры чугуна и емкости ковша – от 0,8 до4 мин. Необходимая длительность процесса перемешивания поддерживается реле времени.Разработанные НИИСЛ конструкции камер автоклавов обеспечивают автоматическое регулирование давления в зависимости от температуры чугуна и допускают применение как чистого Mg, так и его лигатур. Давление должно быть тем больше, чем выше температура чугуна. Недостатки конструкции – сложность устройства и обслуживание автоклава, длительность цикла обработки и падение температуры.