Способы модифицирования высокопрочного чугуна

Для чего необходимо модифицирование литейных чугунов?

Задачи решаемые при модифицировании

1. Минимизация брака. Снижение себестоимости продукции.
2. Повышение однородности структуры отливок. Управление свойствами литейных чугунов.
3. Получение заданных свойств чугунов. Снижение отбела, увеличение предела прочности на разрыв.
4. Улучшение механической обрабатываемости литья. Снижение усадочных дефектов.

Что такое модифицирование

Модифицирование — означает управление структурой и свойствами литейного чугуна за счет минимизации переохлаждения и увеличения количества центров кристаллизации графита во время охлаждения отливки.

Модификатор — это материал, вводимый в жидкий чугун непосредственно перед его разливкой, который обеспечивает наличие в расплаве подходящих фаз для образования графита во время охлаждения. Традиционно, модификаторы производятся на основе графита, ферросилиция или силикокальция. Наиболее используемый в настоящее время модификатор — ферросилиций, содержит небольшие количества таких элементов как: Al, Ba, Ca, Sr, Zr, РЗМ.

Цель модифицирования состоит в том, чтобы обеспечить образование достаточного количества центров кристаллизации углерода, чтобы он выкристаллизовался в виде графита, а не карбида железа (цементита). Это достигается исключением возможности переохлаждения ниже температур, когда формируются карбидные структуры. Сам по себе механизм кристаллизации чугуна склонен к формированию отбеленных структур, а в большинстве случаев это нежелательно. Структуры с отбелом препятствуют механической обработке, провоцируют несоответствие техническим требованиям, увеличивая производственные затраты и брак.

Графитизирующие модификаторы изменяют структуру отливки, влияя на процесс затвердевания. Из-за колебаний химического состава базового чугуна, температуры разлива, скорости охлаждения отливки, диаметра сечений и других факторов металл охлаждается ниже эвтектической температуры еще перед началом окончательного затвердевания отливки. При увеличении переохлаждения графит из хлопьевидного типа начинает разветвляться, формируя нежелательные формы. Дальнейшее увеличение переохлаждения подавляет формирование графита и, как результат, формируются структуры с карбидами железа.

Роль модификатора заключается в образовании центров кристаллизации графита в расплавленном чугуне, которые способствуют формированию и росту включений графита типа «А» в отливках из СЧ, и большого количества малых по размерам глобулей графита в отливках из ВЧ.

Структура литейных чугунов

Структура чугуна определяет механические свойства отливки и ее склонность к механической обработке. Модифицирование литейных чугунов широко применяется для получения структур пригодных к механической обработке, а, в основном, оно просто необходимо для получения заданных свойств отливок.

В составе чугуна, графитизирующие элементы будут способствовать связям «углерод-углерод» для формирования графита в структуре, тогда как карбид стабилизирующие элементы будут способствовать связям «углерод-железо», формируя в структуре цементит.

Стабилизирующие элементы:

Графитизирующие элементы	Карбид стабилизирующие элементы
Кремний	Ванадий
Алюминий	Хром
Никель	Марганец
Кальций	Магний
Барий	Молибден
Медь	Вольфрам
Стронций	Азот
Фосфор	РЗМ

Наиболее восприимчивый к модифицированию чугун можно получить, используя в завалке разумное количество передельного или литейного чугуна, изготовленных из руды, ввиду низкого содержания в них примесей, карбид стабилизирующих элементов.

Условия для успешного модифицирования

Количество зародышей кристаллизации
Модификатор не влияет на количество и средний размер центров кристаллизации графита. Однако свойства включений глобулярного графита, образовавшихся после кристаллизации, напрямую зависят от типа используемого модификатора. Предрасположенность включений к процессу кристаллизации графита в значительной степени зависит от того, модифицирован чугун или нет. Вводом модификатора в расплав непосредственно перед его разливкой решается задача образования большого количества таких включений, которые способны начать процесс формирования графита при очень незначительной степени переохлаждения.

Составляющие модификатора Большинство модификаторов являются «носителями», содержащими небольшие количества элементов «графитизаторов» (например, Ca, Ba, Sr, Al), которые формируют в расплаве частицы – центры кристаллизации графита.

Модификатор должен обладать следующими характеристиками:

• Обеспечить быстрое и равномерное усвоение и распределение графитизатора в расплаве;
• Иметь состав, совместимый с составом расплава;
• Формировать сплав графитизатор – носитель;
• Быть рентабельным, обеспечивая экономический эффект от данной операции.

Технология ввода модификаторов Контроль качества и химического состава модификатора не гарантирует успешных результатов модифицирования. Не меньшее внимание следует уделять и технологии ввода модификатора. При модифицировании в ковше рекомендуется непрерывный ввод в струю металла таким образом, чтобы поток металла способствовал быстрому и однородному распределению модификатора в расплаве.

Преодолевать эффект «старения» модифицирующего воздействия на расплав необходимо путем уменьшения временного интервала между модифицированием расплава и его кристаллизацией.

«Старение» модифицирующего эффекта

Модифицирующий эффект максимален непосредственно сразу после ввода модификатора. Скорость «старения» модифицирующего эффекта, зависящая от состава модификатора и базового чугуна, может быть очень высокой, и большая часть эффекта от модифицирования может быть потеряна в первые несколько минут после ввода модификатора. «Старение» модифицирующего эффекта можно объяснить уменьшением в расплаве числа неметаллических включений с течением времени.

Основные недостатки «старения»:

• «Старение» является причиной увеличения степени переохлаждения расплава, которое возникает в процессе эвтектической кристаллизации, и ведет к увеличению склонности появления отбела в сером и высокопрочных чугунах, особенно в тонких сечениях;
• Уменьшает количество глобулярного графита, сформировавшегося в высокопрочном чугуне, и является причиной ухудшения его формы, а ухудшение формы включений графита влияет на механические свойства отливок;
• Уменьшает количество эвтектических ячеек, образующихся в чугуне с пластинчатым графитом, что приводит к менее однородному распределению графита в отливках и ухудшению их механических свойств.

В настоящее время известно несколько фактов, связанных с эффектом «старения» модифицирующего воздействия на расплав и имеющих практическое значение:

• Все модификаторы для чугуна и стали подвержены эффекту «старения»;
• «Старение» начинается с первой минуты ввода модификатора в расплав, для достижения максимального модифицирующего эффекта, металл необходимо разливать по формам, как можно, быстрее;
• Длительность эффекта «старения» у разных модификаторов различна;
• Модифицирующий эффект меняется в зависимости от марки модификатора и его гранулометрического состава.

Для каждого литейного цеха рекомендуется индивидуально определять марку модификатора и его гранулометрический состав исходя из конкретных условий производства.

Эффективность различных модификаторов

Модификаторы утрачивают свою способность снижать отбел и формировать зародыши кристаллизации графита, если модифицированный металл длительное время выдерживается перед разливкой. Однако, разные модификаторы обладают различными характеристиками в части эффекта «старения».

Барийсодержащие модификаторы ФС65Ба1-ФС65Ба4, например, формируют значительное количество зародышей кристаллизации в течение длительного периода выдержки, что делает их превосходными для ковшевого модифицирования. Они эффективно снижают отбел в высокопрочном чугуне, а также в сером чугуне с низким и высоким содержанием серы. Другим эффективным модификатором, относительно долго сохраняющим модифицирующее воздействие, являются стронцийсодержащие модификаторы, например, ФС75СтК.

Влияние модифицирования на прочность

Модифицирование увеличивает количество эвтектических ячеек (глобулей графита в ВЧ), что ведет к образованию более благоприятной, измельченной структуры отливок и , как следствие, к увеличению предела прочности на разрыв доэвтектических чугунов.

Модифицирование и обрабатываемость литья

• Улучшение механической обрабатываемости литья достигается при помощи модифицирования, которое подавляет формирование твердой, не поддающейся механической обработке, «белой» структуры чугуна.
• Модифицирование уменьшает чувствительность к толщине сечений отливки. Если немодифицированный чугун имеет большие разбросы по твердости, то модифицированный серый или высокопрочный чугун обладают более стабильными характеристиками по твердости в широком диапазоне толщины сечений отливок.

Модифицирование и склонность чугуна к усадке

Кристаллизация «серого» чугуна характеризуется формированием «каркаса» из твердого слоя металла, состоящего из эвтектических ячеек, по границе раздела «форма-металл» с последующим ростом эвтектических ячеек вдоль фронта кристаллизации. Формирующийся графит полностью или частично компенсирует усадку жидкого чугуна, если он формируется внутри относительно твердой корки, что является свойством немодифицированного «серого» чугуна.

Однако, при изменении характера кристаллизации удовлетворительные усадочные характеристики чугуна могут меняться в худшую сторону, особенно если на границе раздела «форма-металл» не образуется твердая корка, оставляя, таким образом, форму открытой для воздействия ферростатического давления.

В итоге, форма может дать осадку под воздействием ферростатического давления оставшейся жидкой фазы, и увеличенный объем полости литейной формы станет слишком большим для компенсации выделившимся графитом в финальной стадии кристаллизации. Иногда усадка может возникнуть как результат избыточного расширения формы, так как геометрия формы оказывает свое воздействие.

К сожалению, модифицирование меняет характер кристаллизации таким образом, что твердость «корки» снижается. Поэтому, объем навески модификатора не должен быть чрезмерно большим (эффект «избыточного модифицирования»), чтобы избежать усадки, но, в то же время, достаточным, чтобы гарантировать «серую» кристаллизацию.

Практика показывает, что при одинаковой глубине отбела количество эвтектических ячеек меньше при использовании модификаторов, например, ФС75СтК, вместо обычного ферросилиция. Меньшее количество эвтектических ячеек уменьшает ферростатическое давление на форму и помогает снизить тенденции к формированию усадочных дефектов.

Так как количество эвтектических ячеек в высокопрочном чугуне намного больше, чем в сером чугуне, то можно предположить большую склонность ВЧ к усадке. Необходимо отметить, что модель кристаллизации ВЧ фактически сходна со схемой кристаллизации избыточного модифицированного серого чугуна.

Для внутриформенного модифицирования при производстве отливок из высокопрочного чугуна, в настоящее время, наиболее востребован ферросиликомагний с лантаном (ФСМг5La). При его использовании максимально снижается склонность чугунов к формированию усадки. Эффект наиболее нагляден при обработке толстостенных отливок.

ООО «Спецферросплав» изготавливает сегодня широкий диапазон модификаторов, максимально удовлетворяющих конкретным требованиям литейных производств.

ООО «Спецферросплав» предлагает к поставке модификаторы и лигатуры для чугунного и стального литья собственного производства (лицензия № ЭВ- 56-001897, .pdf, 240кб):

• Ферросилиций с магнием ФСМг3 — ФСМг4 — ФСМг5 — ФСМг7 — ФСМг9;
• Ферросилиций с магнием и лантаном ФСМг5La – ФСМг6La;
• Ферросилиций с барием ФС65Ба1 — ФС65Ба4;
• Ферросилиций со стронцием ФС75СтК;
• Силикокальций с магнием СК15Мг9 — СК15Мг6, СК10Мг9 — СК10Мг6;
• Модификатор для получения чугуна с вермикулярным графитом ФСМг2Ти4Р5 -ФСМг3Ти4Р7;
• Смесевые модификаторы ФС50У35 — ФС30У60;
• Ферросера ФСу25 — ФСу35;
• Лигатура с РЗМ — ФС30РЗМ20 — ФС30РЗМ30;
• Лигатура на основе меди Cu50Mn17Cr7,5Si15;
• Лигатура никель-магний-церий;
• Лигатура медь-магний-РЗМ, медь-магний-кальций-барий.

Источник

Способы модифицирования чугуна

Новости

Утверждена экскурсионная программа XIV Литейного Консилиума®

Ведущие специалисты литейных предприятий России и зарубежья соберутся в Челябинске на Литейном Консилиуме®

Скончалась Доктор технических наук, профессор Мысик Р.К

Разнообразные условия производства отливок из высокопрочного чугуна, требования к качеству металла, наличие модификаторов определяют способ ввода модификатора в чугун. Применяемые способы сфероидизирующей обработки условно можно разделить на четыре группы: модифицирование в форме, модифицирование в специальной реакционной камере, модифицирование в ковше и обработка чугуна модифицирующей проволокой. Рассмотрим все четыре варианта модифицирования:

1. Модифицирование в ковше.

Получение высокопрочного чугуна с помощью модификаторов наиболее просто осуществляется в стационарных (по положению в процессе заполнения чугуном и модифицирования) ковшах, при этом достаточно высокая (30-60%) степень усвоения магния достигается при вводе модификатора в ковш по сэндвич-процессу, причем известно много его разновидностей: модификатор на дне ковша может быть пригружен стальной или чугунной высечкой, дробью, чугунной стружкой, и т. д. Суть процесса заключается в размещении на дне ковша перегородки, которая будет разделять ковш на две камеры реагентную и металлоприемную. На дно реагентной камеры засыпается слой чугунной стружки толщиной 10-15мм для предотвращения зашлаковывания камеры. Поверх засыпается расчетное количество сфероидизирующего и графитизирующего модификатора. Сверху модификаторы покрываются слоем укрывного материала — чугунной стружкой или стальной высечкой (1-2см). Впроцессе наполнения ковша укрывной материал предох раняетмодификатор от преждевременного контакта с расплавом до заполнения ковша.

Рис. 1. Совмещенный способ модифицировании чугуна типа ковш-крышка:

1-крышка, 2-отверстие для слива чугуна, 3-ковш, 4-модификатор, 5-укрывной материал.

Заливать металл в ковш необходимо с высокой скоростью. При этом нельзя допускать попадания струи в реакционную камеру на укрывной материал, иначе это приведет к размыванию модификатора, выносу его на поверхность металла и сгоранию. Строгое соблюдение приведенной выше технологии модифицирования обеспечит стабильный модифицирующий эффект.

Повышенное (в 1,2 -1,3 раза) усвоение магния достигается при совмещении сэндвич-процесса и применении специальной крышки, устанавливаемой на ковш и играющей также роль литейной чаши (рис. 1). Этот метод разработан в Швеции и благодаря своей простоте, уменьшению дымовыделения и стабильным результатам модифицирования используется (с усовершенствованиями) во многих странах. При отсутствии зазора между ковшом и крышкой и при наличии в полости крышки чугуна в процессе наполнения ковша процесс модифицирования происходит практически без пироэффекта. Подбором сечения отверстия для чугуна удается регулировать длительность заполнения ковша металлом в зависимости от объема последнего. Повышению усвоения магния способствует и перегородка на дне ковша, отделяющая первые порции заливаемого в ковш чугуна от модификатора, благодаря чему реакция модифицирования начинается, когда выпускное отверстие в крышке уже перекрыто слоем чугуна в ней.

2. Модифицирование в форме.

Основой модифицирования чугуна в форме (Inmold — процесс) является применение в литниковой системе специальной реакционной камеры, в которую помещается модификатор. Объем камеры рассчитывается по специальной методике. Преимуществами этого метода являются высокая степень усвоения магния (65-90%), получение однородной структуры, отсутствие дыма и пироэффекта, возможность индивидуальной технологии обработки для каждой отливки, снижение расхода модификатора. Однако следует отметить, что для получения качественного чугунас включениями графита шаровидной формы необходимо строгое соблюдение соотношений между температурой и скоростью заливки расплава, составом, количеством и фракцией модификатора, а также наличие качественных шихтовых материалов и проведение контроля на всех стадиях процесса. Помимо этого, за счет увеличения литнтковой системы, снижается технологический выход годного.

Рис. 2 Схема модифицирования в форме при inmold-процессе:

1 — стояк; 2 — шлакоуловитель; 3 — литниковый ход; 4 — зумпф; 5 — реакционная камера;6 — модификатор.

3. Модифицирование в специальной реакционной камере (метод Флотрет).

Этот метод представляет собой внутрижелобное модифицирование. Принцип модифицирования основан на использовании расплава чугуна с серой не более 0,015%. Чугун переливается через многосекционный желоб, в который предварительно помещено необходимое количество сфероидизирующего модификатора. Метод применяется для небольших порций чугуна (до 1 тонны). Вторичное модифицирование осуществляется в разливочном ковше. При модифицировании этим способом достигается достаточно высокое усвоение магния (до 80 %), почти полное исключение пироэффекта и дымовыделения, значительно меньшее, чем в случае обработки в ковше, падение температуры.

Рис. 3 Схема модифицирования чугуна методом Флотрет:

1-литниковая чаша; 2-литниковые ходы; 3-реакционная камера с модификатором; 4-камера-накопитель; 5-выпускное отверстие.

4. Обработка чугуна модифицирующей проволокой.

Все существующие методы обработки чугуна магнийсодсржащими присадками, основанные на одновременном вводе в металл требуемой дозы модификатора, несмотря на указанные выше технологические меры, не позволяют достичь высокого усвоения магния главным образом потому, что реакция модифицирования проходит в локальном участке, и пузырьки испаряющегося магния, поднимаясь к поверхности расплава, имеют ограниченное время контакта с расплавом. Площадь контакта магния с жидким металлом и, следовательно, усвоение магния значительно повышается, если модификатор вводить в чугун в измельченном виде малыми порциями, например инжектированием твердых, жидких или парообразных присадок. Однако эти методы промышленного применения не нашли. Наиболее удобным и технически легко осуществимым является ввод в расплав тонкоизмельченных модифицирующих присадок, помещенных в металлических трубках. При подаче в металл таких наполненных модификатором трубок (полой проволоки) срегулированной скоростью, обеспечивающей требуемый расход модификатора, процесс модифицирования протекает без дыма и пироэффекта, а степень усвоения магния по сравнению с обработкой в ковше увеличивается почти в 1,5-2 раза. Известны различные методы обработки чугуна модифицирующей проволокой, подаваемой в струю металла с помощью специального устройства — трайб-аппарата.

Рис. 4.Способы обработки чугуна модифицирующей проволокой:

а — в струю (А-вертикальное введение, В-диагональное введение),
б — в струю при заливке из стопорного ковша,
в — в ковше.

а)

б)

в)

Источник