О производстве литья

Модифицирование

Модифицирование чугуна 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  классифицировать как графитизирующие, стабилизирующие и сфероидизирующие (глобуляризирующие). 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 ΔТ и количество зародышей и измельчает, а также изменяет форму растущего графита,  либо в образовании дополнительных вынужденных зародышей (модифицирование ׀׀ рода), что увеличивает их количество и измельчает графит, несмотря на уменьшение  ΔТ, а з7начит, и увеличение их критического размера, либо в образовании карбидов, легко распадающихся во время или после затвердевания (так называемы     й «карбидный эффект» или «самоотжиг»), что ведет к образованию шаровидного графита (ШГ).

Количество современных модификаторов очень велико; например, одних только графитизирующих  присадок  насчитывается около 150, причем наиболее эффективные из них являются комплексными (даже применяемый ферросилиций по существу тоже  является комплексным модификатором, так как, кроме кремния, содержит еще и некоторое количество алюминия и кальция). То же можно сказать и о сфероидизирующих модификаторах. Однако не все составляющие  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 ээлементами. Различить их возможно по влиянию при присадке элемента к чугуну, чистому по примесям, или по «живучести», т.е. длительности действия после их присадки. Модифицирующее действие  обычно полностью исчезает в течение 10-25 мин. Сохранение этого  действия присадок важно, особенно при крупном литье, где длительность транспортировки, заливки и затвердевания металла сравнительно велики, и живучести модификатора может не хватить. В таких случаях применяются разные меры, в том числе и модифицирование чугуна 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.

Модифицирование серого чугуна

В производстве отливок из СЧ применяются, главным образом, графитизирующие  модификаторы для измельчения графита, устранения отбела а иногда  и частично сфероидизирующие для образования графита

Благоприятной формы, в частности вермикулярного графита (ВГ). Поэтому модифицирование чугуна (СЧ) целесообразно только  при низком содержании углерода,  кремния и других  графитизирующих элементов или при  повышенной концентрации элементов, препятствующих графитизации, а также при высокой термовременной обработке жидкого чугуна, быстром охлаждении,  применении в шихте большого  количества стали и передельного чугуна, т.е. в условиях высокого ΔТ и, значит, при производстве чугунов высоких марок (1,6,24), как это  и рекомендуется ГОСТ 1412-70. Применяемые модификаторы при этом весьма разнообразны по составу (табл ׀׀׀. ׀). Однако точных данных об их эффективности нет, хотя в лигатуре по этому вопросу приводятся многочисленные исследования; результаты некоторых из них  представлены на рис ׀׀׀.׀ . Это объясняется, очевидно, тем, что эффективность тех или иных мофификаторов зависит от разнообразных условий производства. Поэтому их выбор приходится производить  опытным путем, и рекомендации на разных заводах различны. Так на Уральском заводе тяжелого машиностроения лучше всего  зарекомендовала себя смесь ФС75 и СК 30 в соотношении 1:1; на московском заводе «Станколит» используется преимущественно ФС75,  хотя и признается благоприятное влияние Ва, Sr и других элементов, особенно полезных  в отношении живучести. Высокое же содержание Al, как это считают 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 пользоваться наиболее простым и дешевым модификатором – черным графитом (табл׀׀׀  .

Большое внимание в последнее время уделяется модифицированию редкоземельными металлами, в том числе Ce и Y, которые в небольших количествах (0,03 – 0,1%), способствуют  графитизации, а в количестве 0,15-0,25 % приводят к получению ВГ и резкому повыщению прочности и пластичности чугуна.  Весьма интересным в этом отношении считается 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 вводе0,5-0,7% лигатуры; но для устранения отбела, ка 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 ввиду, 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.

Особый интерес представляет суспензионное литье, в котором роль модификатора играют микрохолодильники. При вводе в чугун 3% железного порошка ПЖ-2М или 1-1,5% чугунной дроби марок ДЧК-1,5 или ДЧЛ- 3,0 G_в повышается на 25 – 30 %. Ввод ПЖ-2М, кроме того, повышает квазиизотропию отливок в  отношении как G_в, так и HB.

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 за счет изменения состава и эвтектичности, но и за счет модифицирования. Например, наблюдается следующее относительное повышение свойств СЧ при  модифицировании жидкой сталью (10%); G_в – на  46%, f – на 34 %, HB – на 28%.

В качестве особых методов  модифицирования  можно указать на продувку порошкообразным CaC₂ (при этом одновременно происходит обессеривание чугуна) или газами: природным газом, метаном, азотом, аргоном и др.

Обычные модификаторы вводят на желоб, в струю, в ковш или в форму, применяя при этом специальные дозаторы (табл .  ׀׀׀. 2).  Подготовка модификаторов сводится к их измельчению и отсеву пыли, т.е. зерен размером менее 0,5 мм. Размер зерен зависит от емкости ковша и способа ввода; чем больше емкость ковша, тем крупнее могут быть зерна модификатора, так как мелкие зерна легко  окисляются и уносятся с газами или запутываются в шлаке.

Рекомендуемый размер зерен:

Перед употреблением рекомендуется прокаливать модификатор при 300-400ᴼ С; во избежание окисления дробить его нужно не более, чем за 12 ч 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 колеблется, например, при ФС 75 в пределах от 0,1 до 2%:

При применении  силикокальция расход модификатора может быть уменьшен на 20%. Усвоение Si из него колеблется 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 1370-1340 ᴼ С. Во избежание демодифицирования продолжительность выдержки чугуна не должна быть больше живучести модификатора. Например, для ФС75 и СК  применяется выдержка, не превышающая следующих значений:

В случае появления признаков демодифицирования чугуна рекомендуется повторное модифицирование чугуна. Контроль качества модифицирования производится по высоте отбела клиновой пробы. Контрольные пробы отливают через 5 – 15 мин.

В результате модифицирования повышаются не только механические свойства чугуна, но и  однородность структуры и свойств по сечению отливки, что улучшает их обрабатываемость резанием даже при большей HB. Однако модифицирование не может, конечно замнить легирование для получения чугуна с особыми свойствами, хотя некоторые из этих свойств, например износостойкость, повышаются при модифицировании. Во всех случаях следует иметь ввиду, что эффективное  модифицирование требует тщательного контроля исходных  материалов, процесса плавки и заливки.

Модифицирование чугуна для получения структуры с шаровидным графитом

Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава добавками,  содержащими Mg, Ca, Ce, Y, Nd, Pr и другие РЗМ; однако Mg практически обычно присутствует во всех  применяемых модификаторах. В противоположность указанным сфероидизирующим модификаторам, некоторые элементы подобно сере являются демодификаторами, в связи с чем их содержание в чугуне не должно превышать: 0,009% Pb; 0,003 % Bi; 0,026 %Sb; 0,08 % As; 0,04 % Ti; 0.13 % Sn; 0,3 Al.  Влияние модификаторов частично или полностью устраняется  добавкой ремодификаторов, например Ce и других РЗМ.

При вводе в чугун металлического Mg (марок Мг1 и Мг2) происходит его интенсивное испарение, и он сгорает с выделением белого дыма. Реакция протекает очень быстро и носит взрывной характер. Поэтому для спокойного ввода Mg  применяют его лигатуры (с содержанием Mg не выше 12-15%) или смеси  как с большой плотностью, содержащие Ni и Cu, так и более легкие, содержащие Si и Ca (таб ׀׀׀ . 3), причем последние не только дешевле, но имеют ряд преимуществ вследствие благоприятного влияния Ca (хотя одного Ca обычно недостаточно для получения ШГ). Составы этих лигатур, изготавливаемых в СССР, приведены в табл ׀׀׀ . 4. Усматривается, что все они являются комплексными (КМ).  Наличие в них Ca, Sr, РЗМ, согласно исследованиям института проблем литья АН УССЗ (ИПЛ), повышает их живучесть, понижает деглобулизирующее влияние вредных элементов, в том числе создает возможность получения ШГ в более толстых сечениях и при других неблагоприятных условиях, а также  повышает жидкотекучесть (ƛ_ж) и уменьшает предусадочное расширение (В_рас), что позволяет уменьшить  объем прибылей. Однако следует иметь ввиду, что при использовании лигатуры с повышенным содержанием Ca при низкой температуре чугуна (менее 1380 ᴼ С) модификатор зашлаковывается, покрывается изолирующей оксидной пленкой и плохо усваивается. Поэтому многие исследователи считают допустимым содержание Ca  в лигатуре до 4%, а РЗМ до 2%, что часто достаточно для нейтрализации возможных демодификаторов. Однако в рекомендациях  ИПЛ см табл ׀׀׀. 4) содержание Ca все же допускается до 15%. При этом, однако, необходима высокая температура перегрева чугуна.

Кроме лигатур, для модифицирования применяют спрессованную механическую смесь губчатого Fe с 15-17 % Mg, кокс, пропитанный 40-45 % Mg, и т.д.,  а также шлаковые комплексные модификаторы, в которых  присутствуют Mg, Ca и РЗМ. В этом случае поверхность чугуна в ковше покрывают флюсами, состоящими из фторидов и хлоридов Mg, Ca, Ba и РЗМ, из которых с помощью мелкодисперсного силикокальция путем перемешивания и диффузии восстанавливают  указанные элементы – сфероидизаторы. После такого модифицирования в чугуне обычно содержится 0,025 % Mg, 0,02 – 0,06 % РЗМ и 0,005 % Ca. К модификаторам этого типа относятся известные, изготовляемые в Японии сплавы OZ, состоящие из гранул силикокальция, покрытых слоем солей и вспомогательных компонентов (хлорид Ca или его смесь с хлоридами РЗМ). В связи с гигроскопичностью, модификаторв вводят в чугун в пластмассовых пакетах массой 0,4 кг. Реакция модифицирования протекает спокойно с выделением желтого пламени и белого дыма. Модификатор является очень эффективным и позволяет  получать тонкостенные отливки без отжига; дальнейшее улучшение  модифицирующего эффекта  возможно при электролизе шлака, что способствует переходу модификатора в жидкий чугун.

Кроме OZ, в Японии имеет широкое применение модификатор КС разного состава(табл ׀׀׀ .5) в пакетах с массой 1-25 кг с размерами кусков до 25 мм. Во всех случаях при применении магниевых лигатур весьма целесообразно предварительное обессеривание чугуна, что повышает его свойства и снижает расход  модификатора. Полезно также перемешивание чугуна азотом, что снижает расход Mg на 20-25 % и повышает свойства чугуна.

Для сфероидизации графита в низкосернистых чугунах применяют также  цериевые присадки (табл. ׀׀׀.6) Эти лигатуры характеризуются простотой ввода в чугун, но, вместе с тем, высокой стоимостью и необходимостью иметь низкое содержание серы в чугуне, причем они  несколько ухудшают форму графита. Поэтому большое внимание уделяется и другим РЗМ для получения ВЧШГ. Кроме лигатур, перчисленных в табл ׀׀׀.5 , в которых содержание РЗМ может составлять до 10%, производится ряд других. Так, на Ключевском заводе ферросплавов  изготовляют лигатуру следующего состава: 28-35% РЗМ( в том числе 3-4% Y); 45-47 % Si; 4-6% Al;3-4 % Ca. Там же изготовляют сплавы силикомишметалла.

Табл японские лигатуры КС

Табл. Цериевые присадки

Состав которых приведен в табл. ׀׀׀.7. Кроме того, разработаны лигатуры ФСМ цериевой группы, содержащие в составе РЗМ около 50 % Ce и около 25 % La табл. ׀׀׀ 8

табл. РЗМ

Табл.Состав лигатур ФСМ

Однако в России и за рубежом все еще имеет большое применение чистый магниевый процесс. Этот процесс является дешевым, но связан с необходимостью изготовления специальных устройств для ввода Mg в чугун (автоклав, герметизированных ковшей). В связи с этим все больше развивается  обработка чугуна лигатурами, ввод которых проще, так как при невысоком содержании Mg пироэффект меньше или почти исчезает.  При получении ВЧШГ используется большое количество различных сфероидизирующих модификаторов, которые подбирают опытным путем в зависимости от условий производства, так как соответствующие рекомендации еще не установлены. При обработке чугуна чистым Mg и лигатурами возникает опасность образования «черных пятен», для устранения которых применяют криолит, плавиковый шпат и другие хлористые и фтористые соли.

При модифицировании чугуна одновременно происходят обессеривание, дегазация и другие процессы. Поэтому дозировка модификатора определяется расходом его на эти процессы, главным образом на соединения с серой, и при модифицировании чистым Mg количество его (в%) может быть определено по формуле:

Где S_и и S_о  — содержание S исходное и остаточное, %; 0,04÷0,1 – остаточный Mg (%) в зависимости от толщины отливки и других факторов; Ф – коэффициент усвоения Mg.

При недостаточном количестве остаточного Mg образуется смешанный графит или ВГ, а при избытке – частичный или полный отбел. Коэффициент усвоения Mg зависит от типа модификатора и метода егог ввода, температуры металла после обработки и др. Правильная дозировка модификатора определяется опытным путем при первых плавках. Например, влияние температуры и типа модификатора на усвоение Mg может характеризоваться данными табл. ׀׀׀.9.

Табл Влияние температуры и состава модификатора на усвоение магния

С целью повышения степени усвоения Mg и уменьшения его расхода создают над  зеркалом металла увеличенное давление, при котором возрастает температура кипения (t_к) магния, обеспечивается медленное  парообразование и создаются условия для максимального усвоения Mg. Для лучшего усвоения магниевую присадку можно вводить в чугун не всю сразу, а несколькими порциями по мере заполнения формы.

Для получения тонкостенных отливок без отбела  рекомендуется после ввода сфероидизирующего модификатора проводить вторичное графитизирующее модифицирование, которое способствует также уменьшению усадочных дефектов и внутренних напряжений. При этом при толщине стенки отливки 15-20 мм чаще всего в качестве модификатора применяют ФС75 и ФС90. Как и для СЧ, рекомендуется применять ФС с повышенным содержание Al и Ca.  Для тонкостенных отливок следует применять  смеси или лигатуры, в состав которых, кроме Si, входят элементы, повышающие степень графитизации чугуна: Al, Ce, Ca, Sr, La и др. В частности, можно рекомендовать лигатуру состава: 70-75% Si; 10-15% Al; 5-7 % Ce, остальное Fe.

Наряду с относительно простыми сплавами на основе ФС находят применение более эффективные многокомпонентные сплавы, например, лигатура, содержащая 36%Si; 18% Ca;2,5 % Al; 4,6% Ti; 8 % Ce;4 % La; 4 % C; остальное Fe. Отмечается также целесообразность ввода, как и при получении КЧ, небольших добавок Te, Bi, B и других элементов, которые обычно относятся к карбидообразующим.

Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами весьма разнообразны и зависят от типа  модификатора, массы модифицирующего  чугуна и других факторов. Способы обработки приведены в рисунке.

Схема а. В герметизированный ковш или копильник вводится чистый Mg (можно вводить сплав электрон или  легковесную лигатуру) с помощью колокола с отверстиями. Колокол – испаритель представляет собой металлический или графитовый стакан, укрепленный на штанге. Боковая часть колокола имеет ряд отверстий. Колокол погружается в ковш, заполненный чугуном; при этом пары Mg,  проходя через отверстия, 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 – выбросы металла и недостаточное усвоение Mg.

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 герметизированный 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 и герметизации ковша.

Схема г. В автоклав  помещают ковш с чугуном,  создают избыточное давление сжатым воздухом 5-6 ати ((5-6) 10⁵Па) и с помощью колокольчика на плунжере вводят Mg. Иногда одновременно колокольчиком перемешивают чугун. Усвоение Mg составляет 40-60 %. В автоклавах конструкции НИИСЛ, Mg укладывается до закрытия крышки в бункер, дном которого является диск мешалки. При первом  ходе  мешалки Mg сбрасывается на поверхность чугуна и перемешивается. 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 – о  0,8 до 4 мин. Необходимая длительность процесса  перемешивания поддерживается реле времени.

Разработанные НИИСЛ конструкции камер-автоклавов (КМ) характеризуются рис. ׀׀׀.3 и данными  табл. ׀׀׀12. Эти конструкции обеспечивают автоматическое регулирование давления в зависимости от температуры чугуна и допускают применение 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.

Схема д. Поворотный герметизированный ковш барабанного или конверторного типа, имеет камеру (карман), в которую перед заливкой чугуна помещают заряд Mg или лигатуры. После заливки через горловину  и герметизации ковш поворачивается на 90ᴼ, при этом чугун входит в камеру с Mg и подвергается модифицированию. Недостатки таких ковшей: сложность  конструкции, трудоемкая подготовка к работе, необходимость очистки металла от шлака, длительность цикла обработки и большие потери температуры.

Схема г. На дно ковша помещают кокс, пропитанный Mg, или брикеты из губчатого железа и Mg. Кокс удерживают штангой или устанавливают полупостоянную перегородку из высокоглиноземистого огнеупора с отверстиями. Недостаток – сложность подготовки ковшей. Эффективен при однократной обработке больших масс чугуна.

Схема ж. Порошкообразный или тонкоизмельченную смесь Mg с графитом или известью  вдувают (путем инжекции) с помощью струи нейтрального газа, например азота или сухого воздуха. Узкое звено процесса – расход азота и графитовых трубок, выдерживающих обычно от четырех до пятидесяти операций. Трубки реомендуется вводить под некоторым углом к поверхности металла. Модификатор находится в герметически закрытом бункере и ссыпается через отверстие в подходящую трубку, где захватывается движущимся газом-носителем.

Схема з. Производится продувка азотом для перемешивания чугуна (способ «Осмос» или «Газал») при давлении 1-2 ати ((1÷2) 10⁵ Па) через пористую огнеупорную вставку в днище ковша. Возникающие вертикальные циркуляционные потоки захватывают присадки, засыпаемые с помощью дозатора на поверхность ковша. Недостатки – сложность футеровки ковша, потеря тепла металлом, расход азота.

Схема и. Процесс выполныется с помощью промежуточной емкости (способ «Т-Нок»). Над разливочным ковшом помещают промежуточную емкость с полой керамической вставкой в днище, куда устремляется поток чугуна, образуя полую воронку. Из дозатора порошкообразный модификатор высыпается в середину потока с такой скоростью, чтобы реакция закончилась в конце струи. Узким звеном процесса является сложность регулирования гидродинамического баланса.

Схема к. особенность процесса – использование ковша,  вращающегося эксцентрично или встряхиваемого для лучшего перемешивания чугуна. Вместо  вращения, наклона или встряхивания ковша можно применять электромагнитное перемешивание металла. При этом используют модификаторы с большой плотностью.

Схема л. Использование ковша с механическим перемешиванием металла при помощи огнеупорных мешалок ( способ «Остберг» или «Райншталь»). Способ пригоден для глубинного перемешивания чугуна при перемешивании лигатур, имеющих малую плотность.

Схема м. Погружение одного или нескольких колокольчиков-испарителей под массой тяжелой крышки на дно ковша.

Схема н. Погружение колокольчика-испарителя в ковш вручную. Недостаток – выбросы металла при применении Mg или лигатур с высоким содержанием Mg.

Схема о. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в карман ковша (способ «Сэндвич»). В футеровке днища разливочного или промежуточного ковша  делается специальная полость, соответствующая объему загружаемого в нее  модификатора.  Сверху лигатура прикрывается стальной высечкой толщиной 1,5-8 мм в количестве 1,5-2,0 % от массы металла. Струя жидкого чугуна направляется в противоположную часть ковша и затем распространяется по прикрытой  лигатуре (применяется при тяжелых и средних по плотности лигатурах). Реакция протекает спокойно и длится 20-120 с. При использовании лигатуры с размерами кусков 10-20 мм достигается следующее усвоение Mg 41% из Mg – Fe – Si, 78% из Ni – Mg – Si и 91 % из Ni – Mg-лигатуры. При использовании Ni – Mg-лигатуры при обычной загрузке на дно ковша без прикрытия (схема а) получено усвоение Mg, равное 25 %, при вводе в колокольчике-испарителе (схема м) -38% и способом «Сэндвич» (схема р) – 51 %.

Схема с. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша, образованном разделением дна ковша перегородкой на две неравные части. Лигатура  укладывается в меньшее по объему углубление, образованное перегородкой, и прикрывается сверху слоем мелкого слегка утрамбованного CaC₂. При заполнении ковша чугуном CaC₂ спекается; поэтому для того, чтобы началась реакция, специальной заостренной штангой делается прокол в слое CaC₂. Расход модификатора при этом способе получается меньше, чем при способе «Сэндвич».

Схема m. Засыпка лигатуры на поверхность металла. Этот способ может быть рекомендован лишь для корректировки содержания Mg в ковше.

Схема у. Обработка реактивными порошковыми флюсами, из которых с помощью силикокальция восстанавливаются сфероидизаторы. Иногда при этом способе используют промежуточную емкость (см. схему и)

Схема ф. Проведение процесса электролиза, при котором сфероидизаторы переходят в расплав из флюса, состоящего из MgCl₂. CaCl₂ и небольшого количества хлоридов и фторидов церия. Производится в печах с основной футеровкой при t = 1360 – 1370ᴼ C.

Схема х. Модифицирование в форме заключается в том, что тонко измельченную лигатуру или смесь помещают в расположенную под питателем1  реакционную камеру 2. При определенном сочетании температуры и скорости заливки  чугуна модификатор растворяется движущимися потоками металла по мере заполнения формы. Реакция протекает без прямого контакта с воздухом, пироэффект отсутствует. Для предотвращения  образования неметаллических включений  между реакционной камерой и отливкой устанавливают  центробежный  шлакоуловитель 3. Узкое звено процесса – необходимость низкого содержания серы в исходном чугуне, строгого контроля температуры и скорости заливки, необходимость  предварительного измельчения модификатора.

Во всех способах осуществляются ввод Mg в ковш на максимальную глубину и движение паров Mg снизу вверх к зеркалу металла. Одновременно должны быть обеспечены защита обслуживающего персонала от свечения и выбросов чугуна и эффективный отвод выделяющихся газов. Ковш надо наполнять жидким чугуном не более 70-80% по высоте. Поверхность жидкого чугуна перед вводом модификатора должна быть очищена от шлака. Нормальная продолжительность реакции 1-5 мин. Об окончании реакции судят по прекращению свечения или  выделения белого дыма, а также по времени. При повторном  графитизирующем модифицировании тщательно счищают шлак, образовавшийся при обработке Mg, вводят ферросилиций  (ФС) или лигатуру из ФС, Al и Ca и хорошо перемешивают их с металлом.

Процессы плавки и модифицирования должны строго контролироваться. Для контроля качества чугуна отливают клиновые образцы и трефы  согласно ГОСТ.

При выдержке модифицированного чугуна наблюдается демодификация вследствие  уменьшения содержания Mg, особенно в ковшах и тиглях с кислой футеровкой. Темп уменьшения содержания Mg в расплаве резко снижается при выдержке в тигле с нейтральной или магнезитовой  футеровкой. Оптимальной для  выдержки и  подогрева жидкого магниевого чугуна является дистенсиллиманитовая футеровка, которая по нейтральным свойствам не уступает графиту, а по свойствам – кварцитовой футеровке.

Из всех описанных способов ввода модификатора наибольшее распространение в нашей стране  получили: обработка Mgв автоклаве (схема г), погружение колокольчика-испарителя под массой  тяжелой крышки (схема м), в в герметизированном ковше или копильнике (схема д) и обработка лигатурами а также модифицирование в форме.

Кол слов 3916 уникальность Уникальность: 56.40%

Модифицирование чугуна

Модифицирование

Модифицирование является одним из наиболее эффективных способов действия на кристаллизацию для получения благоприятной структуры графита и матрицы, а соответственно, и высоких свойств отливок и поэтому используется для всех чугунов . Используемые модификаторы можно  разделить как графитизирующие, стабилизирующие и сфероидизирующие (глобуляризирующие). Механизм воздействия модификатора  разнообразен и заключается или в образовании поверхностной пленки на вынужденных  зародышах (модифицирование 1 рода), что уменьшает скорость их роста, увеличивает переохлаждение Т и количество зародышей и измельчает, а также изменяет форму растущего графита,  или в образовании дополнительных вынужденных зародышей (модифицирование  рода), что увеличивает их количество и измельчает графит, несмотря на уменьшение  Т, а значит, и увеличение их критического размера, либо в образовании карбидов, легко распадающихся во время или после затвердевания (так называемы    й «карбидный эффект» или «самоотжиг»), что ведет к образованию шаровидного графита (ШГ).

Модифицирование серого чугуна

В прроизводстве отливок из СЧ используются, в основном, графитизирующие  модификаторы для измельчения графита, исключения отбела а реже  и частично сфероидизирующие для образования графита
Благоприятной формы, в частности 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 обработке жидкого чугуна, быстром охлаждении,  применении в шихте большого  количества стали и передельного чугуна, т.е. в условиях высокого Т и, значит, при производстве чугунов высоких марок (1,6,24), как это  и рекомендуется ГОСТ 1412-70

Помимо твердого модифицирования,  применяется и жидкое  модифицирование добавкой жидкой стали или смешивания  разных чугунов. Это увеличивает свойства чугуна и однородность в разных сечениях не только за счет изменения состава и эвтектичности, но и за счет модифицирования

Обычные модификаторы добавляют на желоб, в струю, в ковш или в форму, применяя при этом специальные дозаторы (табл .  . Размер зерна зависит от емкости ковша и способа ввода; чем больше емкость ковша, тем крупнее могут быть зерна модификатора, так как мелкие зерна легко  окисляются и уносятся с газами или запутываются в шлаке.
Рекомендуемый размер зерен:

Перед применением нужно прокалить модификатор при 300-400O С; для исключения окисления дробить его нужно не более, чем за 12 ч до присадки; он должен быть чистым, сухим, не окисленным. Расход модификатора зависит от его состава, состава чугуна, природы шихтовых материалов,  плавки, технологии ввода, конструкции отливки и марки чугуна и колеблется, например, при ФС 75 в пределах от 0,1 до 2%:

При применении  силикокальция расход модификатора возможно уменьшить на 20%. Усвоение Si из него происходит в пределах 70-90%. После введения модификатора металл нужно перемешивать механически, вибрационно,  барботацией и другими методами.  Для исключения демодифицирования длительность выдержки чугуна не должна быть больше живучести модификатора. Например, для ФС75 и СК  применяется выдержка, не превышающая следующих значений:

Модифицирование для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава добавками,  содержащими Mg, Ca, Ce, Y, Nd, Pr и другие РЗМ; однако Mg практически обычно присутствует во всех  используемых модификаторах. В противоположность указанным сфероидизирующим модификаторам, есть элементы подобно сере являющиеся демодификаторами, поэтому их содержание в чугуне должно быть не более: 0,009% Pb; 0,003 % Bi; 0,026 %Sb; 0,08 % As; 0,04 % Ti; 0.13 % Sn; 0,3 Al.  Влияние модификаторов частично или полностью устраняется  добавкой ремодификаторов, например Ce и других РЗМ.
При вводе в чугун металлического Mg (марок Мг1 и Мг2) происходит  интенсивное испарение,  он сгорает с появлением белого дыма. Реакция происходит быстро и имеет взрывной характер. Поэтому для  ввода Mg  используют его лигатуры (с содержанием Mg не выше 12-15%) или смеси  как с большой плотностью, содержащие Ni и Cu, так и более легкие, содержащие Si и Ca (таб  . 3), причем последние не только дешевле, но имеют ряд преимуществ вследствие благоприятного влияния Ca (хотя одного Ca обычно недостаточно для получения ШГ). Наличие в них Ca, Sr, РЗМ, согласно исследованиям института проблем литья АН УССЗ (ИПЛ), повышает их живучесть, понижает деглобулизирующее влияние вредных элементов, в том числе создает возможность получения ШГ в более толстых сечениях и при других неблагоприятных условиях, а также  повышает жидкотекучесть (ƛж) и уменьшает предусадочное расширение (Врас), что позволяет уменьшить  объем прибылей. Однако нужно знать, что при использовании лигатуры с увеличенным содержанием Ca при небольшой температуре чугуна (менее 1380 O С) модификатор зашлаковывается, покрывается изолирующей оксидной пленкой и плохо усваивается. Поэтому многие исследователи считают допустимым содержание Ca  в лигатуре до 4%, а РЗМ до 2%, что часто достаточно для нейтрализации возможных демодификаторов. Однако в рекомендациях  ИПЛ содержание Ca все же допускается до 15%. При этом, однако, необходима высокая температура перегрева чугуна.
Кроме лигатур, для модифицирования применяют спрессованную механическую смесь губчатого Fe с 15-17 % Mg, кокс, пропитанный 40-45 % Mg, и т.д.,  а также шлаковые комплексные модификаторы, в которых  присутствуют Mg, Ca и РЗМ. В этом случае поверхность чугуна в ковше покрывают флюсами, состоящими из фторидов и хлоридов Mg, Ca, Ba и РЗМ, из которых с помощью мелкодисперсного силикокальция путем перемешивания и диффузии восстанавливают  указанные элементы – сфероидизаторы. После такого модифицирования в чугуне обычно содержится 0,025 % Mg, 0,02 – 0,06 % РЗМ и 0,005 % Ca. К модификаторам этого типа относятся известные, изготовляемые в Японии сплавы OZ, состоящие из гранул силикокальция, покрытых слоем солей и вспомогательных компонентов (хлорид Ca или его смесь с хлоридами РЗМ). В связи с гигроскопичностью, модификаторв вводят в чугун в пластмассовых пакетах массой 0,4 кг. Реакция модифицирования протекает спокойно с выделением желтого пламени и белого дыма. Модификатор является очень эффективным и позволяет  получать тонкостенные отливки без отжига; дальнейшее улучшение  модифицирующего эффекта  возможно при электролизе шлака, что способствует переходу модификатора в жидкий чугун.
Кроме OZ, в Японии имеет широкое применение модификатор КС разного состав в пакетах с массой 1-25 кг с размерами кусков до 25 мм. Во всех случаях при применении магниевых лигатур весьма целесообразно предварительное обессеривание чугуна, что повышает его свойства и снижает расход  модификатора. Полезно также перемешивание чугуна азотом, что снижает расход Mg на 20-25 % и повышает свойства чугуна.
Для сфероидизации графита в низкосернистых чугунах применяют также  цериевые присадки (табл. .6) Эти лигатуры характеризуются простотой введения в чугун, но, вместе с тем, большой  стоимостью и необходимостью иметь малое содержание серы в чугуне, причем они  несколько ухудшают форму графита. Поэтому большое внимание уделяется и другим РЗМ для получения ВЧШГ. Кроме лигатур, перечисленных в табл, в которых содержание РЗМ может составлять до 10%, производится ряд других. Так, на Ключевском заводе ферросплавов  изготовляют лигатуру следующего состава: 28-35% РЗМ( в том числе 3-4% Y); 45-47 % Si; 4-6% Al;3-4 % Ca. Там же изготовляют сплавы силикомишметалла.

Табл Японские лигатуры КС

Табл. Цериевые присадки

Состав лигатур  приведен в табл. Кроме того, разработаны лигатуры ФСМ цериевой группы, содержащие в составе РЗМ около 50 % Ce и около 25 % La табл.  8

табл. ׀׀׀.7

Табл. Состав лигатур ФСМ

Однако в России и за рубежом все еще имеет большое применение чистый магниевый процесс. Этот процесс является дешевым, но связан с необходимостью изготовления специальных устройств для ввода Mg в чугун (автоклав, герметизированных ковшей). В связи с этим все больше развивается  обработка чугуна лигатурами, ввод которых проще, так как при невысоком содержании Mg пироэффект меньше или почти исчезает.  При получении ВЧШГ используется большое количество различных сфероидизирующих модификаторов, которые подбирают опытным путем в зависимости от условий производства, так как соответствующие рекомендации еще не установлены. При обработке чугуна чистым Mg и лигатурами возникает опасность образования «черных пятен», для устранения которых применяют криолит, плавиковый шпат и другие хлористые и фтористые соли.
При модифицировании чугуна одновременно идет обессеривание, дегазация и другие процессы. В связи с этим, дозировка модификатора учитывается расходом его на эти процессы, в основном на связывание с серой, и при модифицировании чистым Mg количество его (в %) может быть определено по формуле:

Где Sи и Sо  — содержание S исходное и остаточное, %; 0,04÷0,1 – остаточный Mg (%) в зависимости от толщины отливки и других факторов; Ф – коэффициент усвоения Mg.
При малом количестве остаточного Mg образуется смешанный графит или ВГ, а при избытке – частичный или сплошной отбел. Коэффициент усвоения Mg зависит от типа модификатора и метода егог ввода, температуры металла после обработки и др. Правильная дозировка модификатора определяется опытным путем при первых плавках. Например, влияние температуры и типа модификатора на усвоение Mg может характеризоваться данными табл.

Табл. Влияние температуры и состава модификатора на усвоение магния

С целью повышения степени усвоения Mg и уменьшения его расхода создают над  зеркалом металла увеличенное давление, при котором возрастает температура кипения (tк) магния, обеспечивается медленное  парообразование и создаются условия для максимального усвоения Mg. Для лучшего усвоения магниевую присадку можно вводить в чугун не всю сразу, а несколькими порциями по мере заполнения формы.
Для тонкостенных отливок следует применять  смеси или лигатуры, в состав которых, кроме Si, входят элементы, повышающие степень графитизации чугуна: Al, Ce, Ca, Sr, La и др. В частности, можно рекомендовать лигатуру состава: 70-75% Si; 10-15% Al; 5-7 % Ce, остальное Fe. Наряду с относительно простыми сплавами на основе ФС находят применение более эффективные многокомпонентные сплавы, например, лигатура, содержащая 36%Si; 18% Ca;2,5 % Al; 4,6% Ti; 8 % Ce;4 % La; 4 % C; остальное Fe. Отмечается также целесообразность ввода, как и при получении КЧ, небольших добавок Te, Bi, B и других элементов, которые обычно относятся к карбидообразующим.
Способы обработки жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами весьма разнообразны и зависят от типа  модификатора, массы модифицирующего  чугуна и других факторов.

Способы обработки приведены  на рис.

Схема а. В герметизированный ковш или копильник вводится чистый Mg (можно вводить сплав электрон или  легковесную лигатуру) с помощью колокола с отверстиями. Колокол – испаритель представляет собой металлический или графитовый стакан, укрепленный на штанге. Боковая часть колокола имеет ряд отверстий. Колокол погружается в ковш, заполненный чугуном; при этом пары Mg,  проходя через отверстия, 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 – выбросы металла и недостаточное усвоение Mg.
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 герметизированный 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 и герметизации ковша.
Схема г. В автоклав  помещают ковш с чугуном,  создают избыточное давление сжатым воздухом 5-6 ати ((5-6) 105Па) и с помощью колокольчика на плунжере вводят Mg. Иногда одновременно колокольчиком перемешивают чугун. Усвоение Mg составляет 40-60 %. В автоклавах конструкции НИИСЛ, Mg укладывается до закрытия крышки в бункер, дном которого является диск мешалки. При первом  ходе  мешалки Mg сбрасывается на поверхность чугуна и перемешивается. 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 – о  0,8 до 4 мин. Необходимая длительность процесса  перемешивания поддерживается реле времени.
Разработанные НИИСЛ конструкции камер-автоклавов (КМ).обеспечивают автоматическое регулирование давления в зависимости от температуры чугуна и допускают применение 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.

Схема д. Поворотный герметизированный ковш барабанного или конверторного типа, имеет камеру (карман), в которую перед заливкой чугуна помещают заряд Mg или лигатуры. После заливки через горловину  и герметизации ковш поворачивается на 90O, при этом чугун входит в камеру с Mg и подвергается модифицированию. Недостатки таких ковшей: сложность  конструкции, трудоемкая подготовка к работе, необходимость очистки металла от шлака, длительность цикла обработки и большие потери температуры.
Схема г. На дно ковша помещают кокс, пропитанный Mg, или брикеты из губчатого железа и Mg. Кокс удерживают штангой или устанавливают полупостоянную перегородку из высокоглиноземистого огнеупора с отверстиями. Недостаток – сложность подготовки ковшей. Эффективен при однократной обработке больших масс чугуна.
Схема ж. Порошкообразный или тонкоизмельченную смесь Mg с графитом или известью  вдувают (путем инжекции) с помощью струи нейтрального газа, например азота или сухого воздуха. Узкое звено процесса – расход азота и графитовых трубок, выдерживающих обычно от четырех до пятидесяти операций. Трубки реомендуется вводить под некоторым углом к поверхности металла. Модификатор находится в герметически закрытом бункере и ссыпается через отверстие в подходящую трубку, где захватывается движущимся газом-носителем.
Схема з. Производится продувка азотом для перемешивания чугуна (способ «Осмос» или «Газал») при давлении 1-2 ати ((1÷2) 105 Па) через пористую огнеупорную вставку в днище ковша. Возникающие вертикальные циркуляционные потоки захватывают присадки, засыпаемые с помощью дозатора на поверхность ковша. Недостатки – сложность футеровки ковша, потеря тепла металлом, расход азота.
Схема и. Процесс выполныется с помощью промежуточной емкости (способ «Т-Нок»). Над разливочным ковшом помещают промежуточную емкость с полой керамической вставкой в днище, куда устремляется поток чугуна, образуя полую воронку. Из дозатора порошкообразный модификатор высыпается в середину потока с такой скоростью, чтобы реакция закончилась в конце струи. Узким звеном процесса является сложность регулирования гидродинамического баланса.
Схема к. особенность процесса – использование ковша,  вращающегося эксцентрично или встряхиваемого для лучшего перемешивания чугуна. Вместо  вращения, наклона или встряхивания ковша можно применять электромагнитное перемешивание металла. При этом используют модификаторы с большой плотностью.
Схема л. Использование ковша с механическим перемешиванием металла при помощи огнеупорных мешалок ( способ «Остберг» или «Райншталь»). Способ пригоден для глубинного перемешивания чугуна при перемешивании лигатур, имеющих малую плотность.
Схема м. Погружение одного или нескольких колокольчиков-испарителей под массой тяжелой крышки на дно ковша.
Схема н. Погружение колокольчика-испарителя в ковш вручную. Недостаток – выбросы металла при применении Mg или лигатур с высоким содержанием Mg.
Схема о. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в карман ковша (способ «Сэндвич»). В футеровке днища разливочного или промежуточного ковша  делается специальная полость, соответствующая объему загружаемого в нее  модификатора.  Сверху лигатура прикрывается стальной высечкой толщиной 1,5-8 мм в количестве 1,5-2,0 % от массы металла. Струя жидкого чугуна направляется в противоположную часть ковша и затем распространяется по прикрытой  лигатуре (применяется при тяжелых и средних по плотности лигатурах). Реакция протекает спокойно и длится 20-120 с. При использовании лигатуры с размерами кусков 10-20 мм достигается следующее усвоение Mg 41% из Mg – Fe – Si, 78% из Ni – Mg – Si и 91 % из Ni – Mg-лигатуры. При использовании Ni – Mg-лигатуры при обычной загрузке на дно ковша без прикрытия (схема а) получено усвоение Mg, равное 25 %, при вводе в колокольчике-испарителе (схема м) -38% и способом «Сэндвич» (схема р) – 51 %.
Схема с. Выпуск чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане ковша, образованном разделением дна ковша перегородкой на две неравные части. Лигатура  укладывается в меньшее по объему углубление, образованное перегородкой, и прикрывается сверху слоем мелкого слегка утрамбованного CaC2. При заполнении ковша чугуном CaC2 спекается; поэтому для того, чтобы началась реакция, специальной заостренной штангой делается прокол в слое CaC2. Расход модификатора при этом способе получается меньше, чем при способе «Сэндвич».
Схема m. Засыпка лигатуры на поверхность металла. Этот способ может быть рекомендован лишь для корректировки содержания Mg в ковше.
Схема у. Обработка реактивными порошковыми флюсами, из которых с помощью силикокальция восстанавливаются сфероидизаторы. Иногда при этом способе используют промежуточную емкость (см. схему и)
Схема ф. Проведение процесса электролиза, при котором сфероидизаторы переходят в расплав из флюса, состоящего из MgCl2. CaCl2 и небольшого количества хлоридов и фторидов церия. Производится в печах с основной футеровкой при t = 1360 – 1370O C.
Схема х. Внутриформенное модифицирование состоит в том, что модификатор помещается в находящуюся под питателем1  камеру модифицирования 2.  Модификатор растворяется льщимися потоками чугуна по мере заполнения формы. Реакция происходит без  контакта с воздухом. Для удержания неметаллических включений от попадания в полость литейной формы устанавливается центробежный шлакоуловитель 3. Недостаток процесса – необходимость низкого содержания серы в чугуне, контроля температуры  заливки, модификатор должен быть мелкой фракции.
Во всех способах осуществляются ввод Mg в ковш на максимальную глубину и движение паров Mg снизу вверх к зеркалу металла. Одновременно должны быть обеспечены защита обслуживающего персонала от свечения и выбросов чугуна и эффективный отвод выделяющихся газов. Ковш надо наполнять жидким чугуном не более 70-80% по высоте. Поверхность жидкого чугуна перед вводом модификатора должна быть очищена от шлака. Нормальная продолжительность реакции 1-5 мин. Об окончании реакции судят по прекращению свечения или  выделения белого дыма, а также по времени. При повторном  графитизирующем модифицировании тщательно счищают шлак, образовавшийся при обработке Mg, вводят ферросилиций  (ФС) или лигатуру из ФС, Al и Ca и  перемешивают их с металлом.

Из всех описанных способов ввода модификатора наибольшее распространение в нашей стране  получили: обработка Mgв автоклаве (схема г), погружение колокольчика-испарителя под массой  тяжелой крышки (схема м), в в герметизированном ковше или копильнике (схема д) и обработка лигатурами а также модифицирование в форме.