Внепечная обработка чугунов

Модифицирование - введение в расплав веществ ( модификаторов ) , небольшое количество которых существенно влияет на процесс кристаллизации и изменяет структуры и свойства металлов и сплавов. Отличие легирования от модифицирования состоит в том, что легирующие элементы могут вводиться как в шихту, так и в расплавленный металл, а модификаторы вводяться только в расплавленный металл и их действие кратковременно ( 15-20 минут ). Легированные металлы сохраняют свои свойства при последующих переплавах, а эффект модифицирования после переплава не сохраняется.

По способу воздействия на процесс кристаллизации чугуна различают две группы модификаторов. Одна группа воздействует на условия роста графита и способствует его кристаллизации в виде компактных или шаровидных включений. Другая группа изменяет степень графитизации ( модифицирование способствует более равномерному охлаждению , благодаря чему обеспечивается получение однородной структуры с мелко

пластинчатым графитом в сечениях отливки ).

По сравнению с обычным чугуном модифицированный чугун такого же химического состава обладает более высокими механическими свойствами.

Для отливок из серого чугуна применяют, главным образом, графитизирующие модификаторы для измельчения графита, устранения отбела и междендритного графита. Поэтому модифицирование серого чугуна целесообразно при низком содержании углерода, кремния и других графитизирующих элементов или при повышенной концентрации элементов, препятствующих графитизации, а также при повышенном содержании в шихте стали и передельного чугуна или при ускоренном охлаждении.

Модификаторы вводят в струю жидкого металла в ковш или в форму. Перед применением модификаторы измельчают, очищают от пыли, сушат и прокаливают при температуре 300-400 ºС. Чтобы добиться полного растворения модификатора в жидком металле его можно помещать на дно ковша и расплав тщательно перемешивать. Эффективность модифицирования зависит от размера зерен модификатора . Размер зерен модификатора зависит от массы расплавленного металла в ковше ( табл. 238 ).

Таблица 238. Рекомендуемые размеры зерен модификаторов

Основным модификатором серого чугуна является ферросилиций ФС75 ( ГОСТ 1415-93). Для модифицирования ферросилиций в размолотом виде (фракция 2,0-10,0 мм ) вводят в разливочный или раздаточный ковш при температуре 1300 -1400 ºС в количестве 0,1 — 0,5 % массы жидкого металла. Модифицирующий эффект ферросилиция сохраняется не более 15 минут.

Для модифицирования серого чугуна силикокальцием применяют силикокальций марок СК 10, СК15, СК20, СК25, СК30 ( ГОСТ 4762-71 ). Оптимальная температура модифицирования 1400 — 1450º С. Количество присадки составляет 0,3 — 0,5 % массы жидкого металла. Для улучшения усвоения силикокальций целесообразно вводить в смеси с плавиковым шпатом в соотношении 1 : 1. Добавка плавикового шпата повышает активность взаимодействия кальция с кислородом и серой и способствует удалению образующихся при этом неметаллических включений из расплава в шлак. Для эффективного модифицирования серого чугуна силикокальцием время выдержки расплава в ковше должно соотвествовать приведенному в табл. 239.

Таблица 239. Время выдержки расплава в ковше при модификации силикокальцием

Силикобарий - модификаторы на основе ферросилиция и бария обладают высокой графитизирующей способностью серого чугуна. В литейном производстве применяют готовые модификаторы марок ФС65Ба17, ФС65Ба20, ФС60Ба22, ФС75Ба4 ( ТУ 08 - 2300 - 006 - 31178039 - 2010 ). В названии марки буквы обозначают название элемента ( ФС — ферросилиций, Ба- барий ), цифры обозначают количество элемента. Наилучшие результаты модифицирования достигаются при вводе модификатора в количестве 0,2 — 0,4% от массы жидкого металла. При дальнейшем увеличении количества присадки прочность чугуна будет уменьшаться вследствие появления в структуре феррита.

При изготовлении крупных чугунных отливок в серийном производстве, а также при заливке чугуна на автоматических формовочных линиях необходимо применение модификаторов с длительным ( до 30 минут ) периодом действия модифицирующего эффекта. Таким модификатором является силикобарий СБ30 с массовой долей бария 30-35 %, модифицирующий эффект которого продолжается от 15 до 25 минут. Оптимальная температура модифицирования силикобарием 1360-1380ºС. Силико- барий повышает однородность структуры и прочность чугуна в различных сечениях отливки.

Церий является одним из распространенных модификаторов серого чугуна. Церий, обладая высоким химическим сродство к кислороду и сере, активно раскисляет жидкий чугун, образуя тгоплавкие соединения. Его вводят в расплав в виде металлического церия, ферроцерия и мишметалла ФЦМ-5.

Церий металлический - содержит 97,0 % церия при общем содержании редкоземельных элементов 98,5 %. Церий имеет сравнительно низкую температуру плавления ( 725ºС ) и хорошо растворяет газы На воздухе легко окисляется, поэтому требует хранения в герметичных емкостях.

Мишметалл- сплав церия с другими редкоземельными металлами, получают методом электролиза хлоридов.

Ферроцерий - сплав редкоземельных элементов цериевой группы с железом, получают методом электролиза хлоридов. Содержит 40-55 % церия, 15% железа, остальное - редкоземельные элементы. Ферроцерий добавляют в количестве до 0,1 % по массе от жидкого металла. Температура введения присадки в расплав должна превышать 1450º С. 329

ФЦМ-5 - сплав редкоземельных металлов с магнием, получают методом электролиза. ФЦМ-5 содержит, % по массе : Се — 40,0-50,0 ; Мg – 5,0-7,0 ; Fe- до 2,0; La – 18,0-25,0; Nd – 10,0-12,0; Pr – 5,0-7,0.

Углесодержащие модификаторы применяют вместе с ферросилицием в количестве

0,01 — 0,05% с целью улучшения распределения графита. Наиболее эффективны при выплавке чугуна в электропечах, и при длительной выдержке расплава, так как имеют более длительный период усвоения жидким чугуном.

В табл. 240 приведены классификация модификаторов, которые вводятся в серый чугун в зависимости от задач, которые надо решить.

Таблица 240 Классификация модификаторов для серого чугуна

13.6.2.Модифицирование белого и ковкого чугуна

Белый чугун - сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 0,3%. Белый чугун обладает высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, термостойкостью и коррозионной стойкостью.

Модифицирование белого чугуна 75%- ным ферромаргнцем применяют при литье крупных толстостенных отливок для предотвращения выделения графита в массивных узлах отливки. Присадка ферромарганца в виде зерен 1- 3 мм производится в ковш перед заполнением его металлом. Модифицирование марганцем ( для увеличения содержания марганца в ковком чугуне до 0,8-1,2 %) применяется при производстве перлитного ковкого чугуна с зернистым перлитом.

Модифицирование бором. Белый чугун при увеличении содержания в нем хрома сверх 0,05-0,7 % непригоден для производства ферритного ковкого чугуна. Присадка бора в пределах 0,001 — 0,003 от массы жидкого чугуна в зависимсоти от содержания хрома позволяет графитизировать белый чугун при цикле отжига обычной длительности.

Модифицирование висмутом и бором позволяет снизить продолжительность отжига белого чугуна для тонкостенных отливок — на 22,0%, для толстостенных на 33,0%. Дробленый висмут и ферросиликобор добавляют в струю металла из электропечей. Расчетное количество бора — 0,003%, висмута — 0,0635 % от массы жидкого чугуна. Одновременно с бором добавляют алюминий в расчетном количестве.

330 Модифицирование магнием - требуется при выплавке чугуна в вагранке с основной футеровкой. Состав модификатора, % от массы обрабатываемого чугуна. : NaCl -0,4% ; MgCl2 -0,38 % ; SiCa – 1,8% . Перед заливкой такой чугун модифицирую ферросилицием в количестве 0,3-0,4 %.

Ковкий чугун - по сравнению с серым чугуном обладает большей пластичностью и прочностью благодаря тому, что графит в ковком чугуне имеет не пластинчатую, а хлопьевидную форму. Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть происходит процесс графитизации. Такой отжиг называют графитизирующим. Тем не менее, концентрация графитизирующих элементов в ковком чугуне - углерода и кремния ниже чем в сером чугуне.

Для модифицирования ковкого чугуна применяют два вида присадок - стабилизирующие и графитизирующие. Стабилизирующие присадки предотвращают выделение пластинчатого графита в массивных частях отливок при повышенном содержании углерода и кремния. Графитизирующие модификаторы позволяют сократить цикл отжига ковкого чугуна. Модификаторы для ковкого чугуна приведены в

табл. 241.

Таблица 241 Модификаторы для ковкого чугуна

Примечание. 1. Дефицитный висмут можно заменить на теллур.

13.6.3. Получение высокопрочного чугуна с шаровиднеым графитом

Высокопрочный чугун - чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Благодаря шаровидной форме графита высокопрочный чугун обладает комплексом высоких механических и технологических свойств: временное сопротивление ; ударная вязкость ; предел текучести ; относительное удлинение ; высокие прочность и износостойкость; хорошие литейные свойства ; хорошо поддается механической обработке. Из высокопрочного чугуна изготавливают детали ответственного назначения в автомобильной и других отраслях промышленности.

332

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования жидкогог чугуна сфероидизирующми модификаторами. Для выплавки высокопрочного чугуна применяют индукционные тигельные печи, в которых получают чугун нужного состава и температуры, достаточной для последующего модифицирования. В качестве модификаторов используют магний, церий, иттрий в виде чистых металлов или лигатур, а также шлаковые комплексные модификаторы и мишметаллы, в которых присутствуют магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ).

Ферроцерий -мишметалл, содержащий 40,0-45,0 церия, 18,0-25-,0% лантана, 10,0-12,0% неодима, 5,0-7,0 празеодима и не более 15,0% железа применяется для модифицирования жидкого чугуна и получения высокопрочного чугуна. При введении 0,4 % сплава ферроцерия с магнием прочность чугуна увеличивается вдвое.

При модифицировании магнием и его лигатурами в расплав необходимо добавлять плавиковый шпат, криолит и другие хлористые и фтористые соли для предотвращения образования нерастворимых в металле окислов и сульфидов магния и марганца.

Примерная дозировка магниевых добавок при получении чугуна с шаровидным графитом приведена в табл. 242.

Таблица 242. Дозировка магниевых добавок при получении чугуна

с шаровидным графитом

13.6.4. Влияние химических элементов на свойства чугуна

Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна являются его химический состав и скорость охлаждения отливки в форме. При быстром охлаждении образуется структура белого чугуна (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита). При длительном отжиге такого чугуна образуется ковкий чугун( углерод находится в виде хлопьев графита ), имеющий прочность 300-370 МПа и твердость НВ 163 единицы. При длительном охлаждении образуется структура серого чугуна ( углерод находится в виде пластинчатого графита ). Серый чугун имеет прочность при сжатии 100-350 МПа и твердость НВ 120-290 единиц. При модифицировании жидкого чугуна образуется структура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Отливки из высокопрочного чугуна имеют прочность при сжатии 350-400 МПа и твердость НВ 180-360 единиц.

Влияние химических элементов на свойства чугунов приведены в табл. 243.

Таблица 243. Влияние химических элементов на свойства чугунов

336

13.6.7. Удаление серы из чугуна

Сера снижает прочность и пластичность чугуна, препятствует образованию шаровидной формы графита, поэтому ее содержание в жидком чугуне необходимо контролировать. Для обессеривания жидкого угуна применяют следующие составы :

– магний в количестве 0,4-0,6 % от массы металла ;

– сода в количестве 0,6-1,0% от массы металла ;

– смесь, состоящая из соды и едкого натра из расчета на 1 тонну металла — 0,9% соды и 0,4% едкого натра ;

– брикеты, состоящие из 94,0 % соды, 5,0% хлористого бария и 1,0% окалины.