Модифицирование серого чугуна

Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентратов напряжения при циклических нагрузках, высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях (в 2-4 раза выше, чем у стали), высокие антифрикционные свойства (благодаря наличию графита). Но, чтобы обеспечить эти свойства, чугун должен иметь определенную литейную структуру. Один из эффективных способов улучшения структуры – модифицирование.

Модифицирование – введение в расплав веществ (модификаторов), небольшое количество которых существенно влияет на процесс кристаллизации и, соответственно, изменяет структуру и свойства металла или сплава. При легировании в основной металл также вводятся компоненты для повышения механических, физических и химических свойств основного металла. Отличие легирования и модифицирования состоит в том, что легирующие элементы могут вводиться как в шихту, так и в расплав, модификаторы вводятся только в расплав и их активное действие кратковременно (15-20 минут). И, кроме того, легированные металлы и сплавы сохраняют свои свойства при последующих переплавах, а эффект от модификации после переплава не сохраняется.

Однако в настоящее время из всех известных приемов улучшения качества металла модифицирование считается одним из наиболее эффективных. По способу воздействия на процесс кристаллизации чугуна различают 2 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 мелкопластинчатым графитом в сечениях отливки).

По сравнению с обычным чугуном модифицированный чугун такого же химического состава в меньшей степени склонен к образованию трещин (отбеливанию). Именно на этом основано использование модификаторов для получения чугунов с высокими механическими свойствами.

Модификаторы серого чугуна

Основным модификатором серого чугуна является ферросилиций ФС75 (75%-ный ферросилиций), эффективность которого значительно усиливается при содержании в нем Al и Са.

Для модифицирования ферросилиций в размолотом виде (фракции 2-10 мм) вводят в разливочный или раздаточный ковш под струю металла при температуре 1340-1400°С в количестве 0,1-0,5% массы жидкого металла. Также его можно добавлять в форму или подавать непосредственно в момент раздачи чугуна по ковшам. Кроме того, модификатор можно разместить в одном из элементов литниковой системы формы или использовать проволоку из прессованного порошкового модификатора, которая с заданной скоростью вводится в струю металла у литниковай чаши формы.

Но, какой бы способ не применялся, всегда необходимо удостоверится в том, что модификатор полностью растворился и тщательно перемешался с расплавом чугуна.

Модифицирующий эффект ферросилиция сохраняется не более 15 мин. Ферросилиций ФС75 целесообразно применять для модифицирования чугунов с низким углеродистым эквивалентом, а также при литье тонкостенных отливок.

Массовая доля алюминия в промышленном ФС75 составляет 1,5-2,5%, кальция – 0,6-1,3%. Модифицирующее действие ферросилиция связывают с наличием в нем кальция и алюминия, которые активно взаимодействуют с кислородом и азотом расплава, образуя тугоплавкие соединения. Кроме того, в расплаве образуются локальные микрообъемы, обогащенные графитом. Но, в промышленных чугунах (особенно электропечной выплавки) может происходить активное взаимодействие алюминия с другими веществами, в частности с влагой, сконденсированной на стенках литейной формы. Образующийся при этом водород и оксид углерода поглощаются расплавом и при затвердевании вызывают появление подкорковых раковин.

Кроме того, для серого чугуна в качестве графитизирующего модификатора используется ферросилиций ФС75Л (74-80 Si), а также комплексные сплавы на основе кремния, содержащие Ca, Mg, Sr (стронций), Zr (цирконий), Ba (барий), РЗМ (редкоземельные металлы), Mn (манган), а также модифицирующие смеси, состоящие из силикокальция, графита, ферросилиция и других компонентов. Этот модификатор в виде гранул размером 1-5 мм вводят в струю чугуна при сливе из печи в ковш. Для конкретных условий производства устанавливают оптимальный интервал времени от момента заполнения ковша до заливки форм, так как действие модификатора рассчитано на определенное время.

Например, при изготовлении детали «Корпус» из серого чугуна марки СЧ 20 (ГОСТ 1412-88) ферросилиций добавляют в ковш перед сливом металла из индукционной печи. Модификатор помещают на самое дно ковша, что позволяет ему полностью раствориться в сплаве и не выгореть. В данном случае ферросилиций имеет крупную фракцию. При этом температура разливки чугуна в ковш составляет 1450 °С.

Стронцийсодержащий ферросилиций с низким содержанием кальция (0,5%) повышает прочность серых чугунов с пластинчатым графитом в тонкостенных отливках, повышает степень однородности структуры в различных сечениях отливки. При этом вследствие общего уменьшения количества этого модификатора, в расплав вводится меньшее количество алюминия, что способствует снижению брака по газоусадочным дефектам при литье тонкостенных отливок.

Стронцийсодержащий ферросилиций ФССт2 в большей степени, чем ФС75, снижает и стабилизирует твердость заготовок.

Оптимальная температура модифицирования чугуна силикокальцием равна 1400-1450°С. При этом 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 препятствует отшлакованию модификатора, повышает активность взаимодействия кальция с кислородом и серой и способствует удалению образующихся при этом неметаллических включений из расплава в шлак.

Таблица 1. Состав силикокальция

Высокую графитизирующую способность имеют барийсодержащие модификаторы на кремниевой основе. Барий активно реагирует с кислородом, серой и углеродом в составе чугуна, образуя соединения, которые переходят в шлак. Комплексные модификаторы на основе кремния с содержанием в них бария или стронция лучше устраняют отбеливание и обеспечивают более высокий прирост прочности, чем ферросилиций ФС75.

Наилучшие результаты достигаются при вводе добавок в количестве 0,2-0,4% массы жидкого металла. При дальнейшем увеличении количества присадки прочность чугуна уменьшается вследствие появления в структуре феррита.

При изготовлении крупных чугунных отливок в серийном и мелкосерийном производстве, а также при заливке чугуна на автоматических формовочных линиях необходимо применение присадок с длительным (до 30 мин) периодом действия модифицирующего эффекта. С этой точки зрения представляет интерес силикобарий с высокой массовой долей (30-35%) бария СБ30. Использование, СБ30 позволяет резко снизить склонность чугуна к отбелу и сохранить модифицирующий эффект в течение 15-25 мин.

Оптимальная температура модифицирования чугуна силикобарием находится в пределах 1360-1380°С. Силикобарий повышает однородность структуры и свойств чугуна в различных сечениях отливки (в тонких сечениях отливки исчезает точечный графит, прочность чугуна возрастает).

Еще одним распространенным модификатором является церий, который вводят в металл в виде металлического церия, сплава мишметалла, ферроцерия и сплава ФЦМ-5.

Металлический церий содержит 97% церия при общем содержании редкоземельных элементов 98,5%. Церий имеет сравнительно низкую температуру плавления (725°С). При низких температурах хорошо растворяет газы и легко окисляется на воздухе, поэтому церий можно сохранить только в воздухонепроницаемых сосудах.

Мишметалл – сплав элементов цериевой группы, полученный методом электролиза из расплава хлоридов, содержит 40-60% Се (церий), 13-25% La (лантан), 15-17% Nd (ниодим), 8-10% других редкоземельных элементов и до 2% Fe.

Ферроцерий – сплав редкоземельных элементов цериевой группы с железом. Его получают как и мишметалл методом электролиза из расплава хлоридов. В ферроцерии содержится 15% Fe, 40-55% Се, остальное – редкоземельные элементы.

Сплав ФЦМ-5 – сплав РЗМ с магнием, получаемый электролизом. В нем содержится 40-50% Се, до 1% Fe, 3,6-7,5% Mg, остальное – элементы цериевой группы.

Церий, обладая большим химическим сродством к кислороду и сере, активно раскисляет жидкий чугун, образуя тугоплавкие соединения. Следует отметить, что применение ферроцерия как модификатора эффективно при его введении в расплав при температуре выше 1450°С. Присадка ферроцерия в количестве до 0,1% эффективно устраняют отбел чугуна (0,08-0,12% S).

Углесодержащие модификаторы применяется совместно с ферросилицием в количестве 0,01-0,05% с целью улучшения распределения графита, но, вследствие сравнительно небольшой плотности, они плохо усваиваются жидким чугуном. Наиболее эффективные результаты получены при использовании углесодержащих присадок для модифицирования чугуна, выплавляемого в электропечах и подвергающегося длительной выдержке. При длительной выдержке расплав имеет повышенную склонность к отбелу и в данном случае модифицирование является необходимой технологической операцией. Графит, как присадка, требует более длительного периода для активизации, поэтому его целесообразно вводить в расплав за несколько минут (5-10) до ввода других модификаторов.

Эффективность модифицирования

Эффективность модифицирования связана с рядом технологических факторов: температурой ввода присадок, их гранулометрическим составом, временем и местом ввода модификаторов.

Все эти параметры подбираются в зависимости от задач, которые необходимо решить с помощью модифицирования.

Таблица 2. Эффективность модификаторов серого чугуна (в порядке уменьшения влияния)

В целом, при использовании ферросилиция, ферроцерия и его смеси с ферросилицием, повышение температуры ввода присадок от 1420 до 1450°С способствует усилению модифицирующего эффекта, хотя длительность действия модификатора сокращается.

Модифицирование чугуна при температуре 1380-1420°С обеспечивает, как правило, наиболее стабильные результаты и высокие показатели качества чугунных отливок. Уместно добавить, что температура плавления наиболее распространенных модифицирующих присадок, таких как ферросилиций, мишметалл, не превышает 1350°С.

Эффективность модифицирования чугуна существенно зависит также и от размера частиц ферросплавов.

В производственной практике встречается способ «позднего» модифицирования, который используют с целью устранения влияния фактора времени на эффективность обработки чугуна. Этот способ получил широкое распространение для автоматизированных установок с индукционным обогревом для заливки чугуна на конвейерах и формовочных линиях. В данном случае максимальный эффект достигается применением мелкозернистых фракций модификатора (0,3-2 мм). При этом используются различные сорта ферросилиция ФС75, причем массовая доля фракций 0,3-0,5 мм в присадке должна составлять не менее 15-20%.

Наличие крупных фракций (более 2,0 мм) при «позднем» модифицировании не допускается, т. к. в отливках возможно образование нерастворенных частиц модификатора. Оптимальная массовая доля присадки ферросилиция ФС75 при введении его в форму или в литниковую чашу составляет 0,05-0,1% металлоемкости формы, для других способов «позднего» модифицирования она равна 0,1-0,2%. При «позднем» модифицировании целесообразно использовать ферросилиций ФС75, содержащие активные присадки стронция и РЗМ.

Модифицирование – признанный способ повышения качества чугунных отливок, позволяющий либо полностью предотвратить образование отбела, газовой или усадочной пористости, либо свести их к минимуму. Но, следует помнить, что гарантом получения качественного литья и улучшения структуры чугуна является правильный подбор модификаторов и режимов модифицирования.

Герасименко Андрей