Модифицирование чугуна для отливок

Разнообразные условия, предъявляемые к качеству и свойствам отливок, в совокупности с различием технологических схем их производства, обусловливают требование создания прогрессивных технологий повышения качества чугуна для отливок непосредственно в литейных цехах. Модифицирование при этом является наиболее распространенным изученным методом воздействия на качество чугуна и отливок из него.

Основными факторами, определяющими эффективность модифицирования чугуна, принято считать:

• состав, количество и очередность ввода модификаторов;
• качество исходных шихтовых материалов и способ их переплава;
• химический состав расплава чугуна;
• способ подачи металла в литейную форму;
• скорость и условия затвердевания чугуна в различных зонах отливок.

Применяемые модификаторы условно можно разделить на графитизирующие, стабилизирующие цементитную фазу и сфероидизирующие. Графитизирующие модификаторы стимулируют процесс графитизации при эвтектическом превращении посредством образования дополнительных центров кристаллизации графита. С увеличением их числа снижается переохлаждение расплава перед затвердеванием эвтектики, что способствует предотвращению отбела поверхностного слоя отливок и структуры переохлажденной графитной эвтектики. Стабилизирующие модификаторы практически не влияют на процесс графитизации при затвердевании чугуна. Они применяются для сохранения цементитной фазы после эвтектического превращения, в результате чего содержание перлита в структуре отливок увеличивается, обеспечивая рост прочностных характеристик. Сфероидирующие модификаторы обеспечивают изменение формы графита в сторону приближения ее к глобулярной. Обычно сфероидизирующие модификаторы используют для получения чугунов с вермикулярной и шаровидной формой графита.

В большинстве случаев в практике литейного производства используют комплексные модификаторы, в состав которых входят магний, кремний, литий, алюминий, кальций, марганец, бериллий, церий, иттрий и другие редкоземельные металлы (РЗМ). В качестве основы лигатуры обычно используют никель, медь, кремний или кальций. К составу лигатур предъявляется целый комплекс требований, среди которых можно выделить следующие:

• высокая модифицирующая способность при сравнительно малых дозах модификатора;
• регламентируемая плотность лигатуры, обеспечивающая ее высокую степень усвоения при сравнительно простых методах ввода в расплав;
• минимальное дымовыделение и предотвращение пироэффектов при введении лигатур;
• регламентируемая «живучесть» модификатора, обеспечивающая достижение модифицирующего эффекта непосредственно в готовой отливке в максимальной степени.

Наибольшее распространение в стране и за рубежом получили лигатуры, в состав которых входит магний, обладающий высоким модифицирующим и рафинирующим действием.

Не менее распространенными модификаторами являются РЗМ. Их введение в чугун обеспечивает нейтрализацию вредного влияния элементов деглобуляризаторов графита (свинец, мышьяк, сурьма, висмут, титан и др.) благодаря связыванию их в тугоплавкие соединения. РЗМ, как и кальций при определенных условиях способствует образованию мелкозернистой структуры чугуна с большим количеством включений графита. В практике литейного производства находят применение сплавы РЗМ, обогащенные церием или иттрием. В сплавах цериевой группы присутствуют также лантан, празеодим, неодим и иногда самарий. Эффективность РЗМ в магнийсодержащих лигатурах повышается, когда в их состав входят два и более металлов этой группы. Например, ввод в чугун по 0,01% иттрия, лантана, празеодима и неодима позволил получить шаровидную форму графита при 0,01% остаточного содержания в чугуне магния, что достигается применением (для обработки низкосернистого чугуна) лигатуры на основе кремния и железа, содержащей примерно 2,5% Mg, 2,2% Ce, 2% Y или 1,5% Mg и по 1% каждого из элементов - церия, иттрия, лантана, празеодима, неодима.

Основные достоинства лигатур с магнием, содержащих РЗМ, в сравнении с магнием или лигатурами, содержащими магний, следующие: шаровидная форма графита достигается при значительно меньшем остаточном содержании в чугуне магния, что позволяет уменьшить в лигатурах содержание магния и, следовательно, повышать их усвоение, уменьшая пироэффект при модифицировании; в присутствии РЗМ повышается стабильность модифицирования, – лигатура становится нечувствительной к содержанию в исходном чугуне элементов демодификаторов; значительно повышается жидкотекучесть модифицированного чугуна, что вызвано интенсификацией рафинирования металла в присутствии РЗМ и уменьшением количества неметаллических включений; РЗМ и магнийсодержащие лигатуры обеспечивают чугуну меньшее количество усадочных дефектов из-за пониженного предусадочного расширения в сравнении с чугуном, обработанным только магнием; РЗМ вызывают не только модифицирующее, но и легирующее действие, упрочняя металлическую основу чугуна.

Использование высококонцентрированных или чистых РЗМ нецелесообразно в силу их высокой стоимости и большого угара элементов при обработке жидкого чугуна. Наиболее рациональным решением этого вопроса является использование РЗМ в составе многокомпонентных лигатур, содержащих такие элементы, как магний, кальций, кремний, алюминий. Эти элементы при получении лигатур в ферросплавных печах восстанавливают РЗМ из комплекса соединений в полуфабрикатах, которые используют в шихтовых материалах.

Установлено, что наиболее активными элементами, входя-щими в состав РЗМ и обеспечивающими изменение формы графита, являются церий и иттрий. Увеличение их относительного содержания повышает эффективность модифицирования. Наибо-лее простым и надежным критерием степени сфероидизации графита является остаточное содержание РЗМ в чугуне. Так, при РЗМ_ост = 0,09-0,11% (или 0,02-0,04% Се) в структуре чугуна образуется вермикулярный графит. С дальнейшим увеличением РЗМ_ост возрастает доля шаровидного графита, и, соответственно, увеличиваются показатели механических свойств. При РЗМ_ост = 0,25-0,27% (в том числе 0,11-0,13% Се) в его структуре образуется преимущественно шаровидный графит. Дальнейшее повышение РЗМост не увеличивает степень сфероидизации графита и приводит к появлению в литой структуре либо графита переохлаждения, резко снижающего показатели механических свойств чугуна, либо (при пониженном содержании кремния и недостаточно эффективном для этого случая вторичного модифицирования) значительного количества цементита.

Для решения задачи надежного получения чугуна с шаровидным графитом с помощью лигатур, содержащих РЗМ, необходимо, прежде всего, повысить сфероидизирующий эффект вводимых присадок (лигатур). Эту задачу, как показали исследования НПО ЦНИИТМаш, можно решать в двух направлениях:

• ввод в состав имеющихся лигатур типа Сцемиш и Сиитмиш (в настоящее время ФС30Р3М30) дополнительных элементов – таких, как Mg, Ba, Zr, Sr, т.е. активных сфероидизаторов графита и раскислителей чугуна;
• увеличение в составе РЗМ доли наиболее активных сфероидизаторов: Ce или Y.

В зависимости от количества вводимой лигатуры и от полученного РЗМ и магния в чугуне при прочих равных условиях формируется графит в соответствующей форме. Присадка 1,0 – 1,2 % лигатуры при содержании серы 0,025 – 0,030 % дает возможность получить вермикулярный графит, а для получения шаровидного графита оптимальной является присадка 1,7 – 2,0 % лигатуры, обеспечивающая 85 – 95 % шаровидного графита в литой структуре. Дальнейшее увеличение (до 2,5%) не приводит к заметному росту механических свойств, а при добавке 2,75 % лигатуры наблюдается снижение прочности и пластичности чугуна с шаровидным графитом за счет появления искаженных форм графита в связи с появлением эффекта перемодифицирования. При снижении исходного содержания серы до 0,01 % стабильное формирование шаровидного графита происходит при присадке 1,3 – 1,5 % лигатуры.

В связи с развитием технологий модифицирования чугуна в литейной форме на заводах с массовым характером производства, особую актуальность приобретает проблема получения потребителем модификаторов с заданным гарантированным фракционным и химическим составом. При дроблении кусковых материалов отходы в виде пыли и отсевов могут достигать 40-50 % всего количества измельчаемых модификаторов.

В этом плане особенно пристального внимания заслуживают модификаторы, поставляемые в виде порошкообразной проволоки в стальной оболочке. Несмотря на сравнительно высокую стоимость порошковой проволоки, следует признать достаточно очевидные ее функционально-технологические преимущества, которые в значительной степени компенсируют дополнительные затраты на обработку. К числу таких преимуществ, прежде всего, относится высокая степень усвоения и дозирования вводимого модификатора, простота устройств для ввода порошковой проволоки, удобство при транспортировке и хранении модификатора и пр. Таким образом, для создания высокоэффективных технологий модифицирования чугуна для отливок весьма важным является вопрос выбора рационального способа введения модификатора в расплав. Используемые способы модифицирования чугуна можно условно разделить на две группы: порционные, обеспечивающие дозированное модифицирование чугуна в емкости, и непрерывные, позволяющие обрабатывать любые массы чугуна в ходе технологических переливов с контролируемым расходом модификаторов. Наибольшее распространение в литейных цехах получили методы ковшевой обработки, среди которых достаточно простыми являются технологии типа «сэндвич-процесс». В этом случае модификаторы загружают на дно ковша, а перемешивание осуществляется за счет энергии падающей струи. В большей степени этот метод пригоден для тяжелых лигатур на основе меди или никеля. Введение легких модификаторов обычно осуществляют с помощью специальных приспособлений, по-гружаемых в жидкий чугун. При этом технологические схемы подобны тем, что рассмотрены в предыдущем разделе для введе-ния магния. Конечно, малые объемы ковшей предполагают определенные конструктивные отличия этих устройств и методов управления и контроля подачи модификатора.

При использовании в качестве модификатора чистого магния или лигатур с высоким его содержанием весьма эффективны специальные герметизированные барабанные поворотные ковши. Чугуном усваивается при этом до 60 % магния. Однако, такие специальные ковши целесообразно использовать в условиях крупносерийного и массового производства, так как в противном случае значительно возрастает себестоимость чугуна за счет затрат на обслуживание установки для модифицирования.

Из всех известных методов порционного модифицирования наибольшее усвоение магния достигается при модифицировании чугуна в литейной форме. Сущность метода заключается в том, что металл, протекающий по литниковой системе, попадает в камеру, где вступает в реакцию с дробленым модификатором, постепенно растворяя его. Реакция модифицирования, в ограниченном объеме герметизированной реакционной камеры без доступа кислорода, обусловливает следующие преимущества по сравнению с другими традиционными способами производства отливок из модифицированного чугуна: повышение коэффициента усвоения чугуном магния из лигатур до 90% при снижении расхода дорогостоящих модификаторов; отсутствие дымовыделения и пироэффекта; отсутствие угасания эффекта сфероидизации и необходимости проведения инокулирования при использовании лигатур, в состав которых входят элементы-графитизаторы; чугун, модифицированный в литейной форме, отличается максимальной степенью сфероидизации включений графита, повышенной дисперсностью углеродистой фазы и высокой графитизацией сплава; меньшие потери тепла при модифицировании и, как следствие, более низкая температура перегрева металла в печи; полная автоматизация практически всех операций технологического процесса и получение на одном литейном конвейере отливок из различных марок и классов чугунов.

Этот метод, благодаря исключению дымовыделения и пироэффекта, повышению механических свойств чугуна и простоте в эксплуатации применяется в настоящее время во многих странах, несмотря на необходимость глубокого обессеривания исходного чугуна, повышенных требований по узкому пределу колебаний температуры заливаемого чугуна, химического и фракционного состава модификаторов, уменьшение выхода годного литья и т.п.

Непрерывные методы модифицирования чугуна до настоящего времени не получили столь широкого распространения как порционные. Вместе с тем, непрерывное модифицирование представляется крайне перспективным технологическим процессом в условиях крупных литейных цехов с крупносерийным и массовым типом производства при обработке больших масс чугуна. Особенность этих методов – равномерный во времени ввод модифицирующих присадок, благодаря чему достигается их высокое усвоение. Одним из основных приемов при непрерывном модифицировании принято считать создание полой струи чугуна, внутрь которой подается порошкообразный модификатор. Например, разработанный в ФРГ T-NOCK – процесс предполагает подачу порошкообразного модификатора внутрь полой струи, создаваемой путем выливания чугуна через специальное дозирующее отверстие. Метод обеспечивает усвоение 50-80% магния и может быть использован для обработки в ходе технологических переливов.

Другим техническим приемом, обеспечивающим непрерывное модифицирование, является использование смесителей ка-мерного типа. Они представляют собой закрытую проточную реакционную камеру, куда через приемную чашу заливается исходный чугун. Этот принцип модифицирования реализован за рубежом и известен как FLOTRET-процесс. Исходный чугун (рис.2.10, а) заливают в чашу 1, после чего через литниковые каналы 2 металл поступает в реакционную камеру 3 и через выпускное отверстие 5 модифицированный чугун сливается в ковш. Модификатор в реакционную камеру вводится через загрузочное отверстие 4. Донецким национальным техническим университетом разработана и реализована в промышленных условиях установка для непрерывного модифицирования чугуна магнием с использованием принципа газлифтного перемешивания. Установка (рис.2.10, б) представляет U-образный реактор, устанавливаемый вслед за качающимся копильником. Чугун из копильника заливают в стояк 2. На горизонтальном канале реактора находится испарительная камера 4, в которую по трубопроводу 3 подают гранулированный магний. Пары магния вместе с транспортирующим газом поступают в реакционный стояк 5, где они взаимодействуют с чугуном. Обработанный чугун сливают через сливной носок 7. Образующиеся газы и дым отводятся по газоотводу 6. В перерывах между наполнениями ковша агрегат остается заполненным чугуном. При этом через трубопровод 3 подают только воздух с небольшим расходом (20-30 м³/час) для предотвращения заполнения чугуном испарительной камеры.

По окончании работы остатки чугуна из установки сливают в ковш через летку 1. Опытно-промышленные исследования установки выполнены на Макеевском труболитейном заводе. При десульфурации чугуна средняя степень использования магния составила 45-50 %. Снижение температуры чугуна в ходе обработки колебалось в пределах 25-30 ^oС.

Рисунок 2.10 – Схемы методов непрерывного модифицирования чугуна: а - FLOTRET-процесс; б – газлифтный реактор.

Таким образом, обобщая современные тенденции развития методов модифицирования чугуна, видимо, следует особо обратить внимание на тот факт, что достижение положительного максимального результата возможно лишь при комплексном развитии технологии по следующей схеме: обеспечение литейных цехов шихтовыми материалами с регламентированным химическим составом, разработка рекомендации по выбору рационального состава модификаторов и способа их ввода, отработка оперативных методов контроля модифицирующего эффекта непосредственно в ходе заливки чугуна в форму и корректировка технологии литейной формы с учетом модифицирующего действия лигатуры и способов ее введения в расплав.