Модификатор длительного действия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

/тггттгп IT гсотм/отптп - 2 08). 2006

/165

ИТЕИНОЕШ ПРОИЗВОДСТВО

The modifier of cast iron, w/z/c/z provides the improvement of the structure and characteristics of castings, has increased duration of working, keeps the structural heredity after refining of modified cast iron, /'s developed.

Л. 3. ПИСАРЕНКО, ОАО «МЗОО», H. А. СВИДУНОВИЧ, Д. В. КУИС, БГТУ

УДК 621.74

МОДИФИКАТОР ДЛИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Современное понимание сущности явления «наследственности» в сплавах [1] позволяет выбирать меры воздействия на жидкий металл с целью изменения его свойств, более глубокого познания рассматриваемого явления, и тем самым открывать возможности активно влиять на наследственность, программировать структуру и физико-механические свойства чугуна.

Целесообразность развития этого направления определяется повышением требований к надежности готовых изделий, необходимостью снижения материальных и энергетических затрат на доводку чугуна по механическим свойствам, обрабатываемости и т.д.

Одним из способов активного влияния на исправление отрицательной наследственности чугуна является модифицирование. Для активизации углерода, растворенного в железе, необходимо ввести достаточно малые добавки графитизирую-щих модификаторов, чтобы добиться интенсивного выделения зародышей графита, которые становятся центрами кристаллизации. При этом важно обеспечить сохранение эффекта модифицирования расплава при переплаве, которое заключается в изменении характера кристаллизации в сторону образования стабильных фаз, воспроизводства первичной структуры. Для решения данной задачи целесообразна разработка модификатора длительного действия.

Как известно, общий недостаток модификаторов типа ферросилиция — их способность «улетучиваться» из расплава, т. е. действие их ослабевает с течением времени, а спустя 10—20 мин после введения в чугун вообще прекращается. Было высказано предположение, что, вероятно, существуют также добавки или их сочетания, которые образуют устойчивые зародыши, обеспечивающие большую продолжительность действия модификаторов. Создание таких модификаторов длительного действия позволит в значительной

степени сохранить эффект модифицирования после переплава и, тем самым, уменьшить или исключить количество добавок модификаторов после повторных переплавов возврата модифицированного чугуна. Подобные технологические процессы существуют [2]. Обработка передельного чугуна проволочным ферросиликобариевым модификатором при выпуске его из доменной печи обеспечило получение чушкового передельного чугуна без отбела, что наследственно обеспечивает получение отливок также без отбела и с более высокими механическими свойствами. В данном технологическом процессе в качестве элемента, увеличивающего продолжительность действия модификатора, использован барий в составе модификатора.

В последние годы широкое распространение получили барийсодержащие модификаторы. По данным [3], эти модификаторы имеют более высокую продолжительность действия и с успехом используются в литейном производстве взамен ферросилиция.

Для изыскания модификаторов, имеющих более высокую продолжительность эффекта модифицирования, использовали чугун одинакового состава, содержащий 3,3% С; 2,0% 81; 0,6% Мп; 0,03% 8 и наиболее эффективные модификаторы ФС75, ФС65Ба22. Для сравнения был использован алюминий, который, как показано в работе [4], имеет высокую живучесть. Модифицирование производили непосредственно в индукционной печи. Температура жидкого чугуна выдерживалась постоянной в двух диапазонах: 1360 и 1430 °С в течение проведения эксперимента с каждым видом модификатора. Через определенные промежутки времени (от 1 до 25 мин) производили отбор проб для установления числа эвтектических зерен и величины отбела, как основных критериев, определяющих эффект модифицирования.

166

гттгпгт

(38). 2006 -

На рис. 1 показано изменение числа эвтектических зерен и величины отбела при выдержке чугуна, модифицированного по 0,2% ФС75 и ФС60Ба22, и алюминия при постоянных температурах 1360 и 1430 °С. Из приведенных результатов следует, что при температуре модифицирования чугуна 1360 °С и выдержке при этой температуре добавки 0,2% ФС60Ба22 по сравнению с аналогичными добавками ФС75 показали более высокий уровень числа эвтектических зерен и уменьшение величины отбела. В обоих случаях максимальный эффект модифицирования наблюдается через 1—2 мин после ввода добавок, затем резко снижается. Однако при добавках ферроси-ликобария в течение последующих 5 мин число эвтектических зерен и величина отбела уменьшаются, что свидетельствует о некотором увеличении продолжительности его действия по сравнению с добавками ферросилиция. Затем идет непрерывное снижение эффекта модифицирования указанных добавок и примерно через 20—25 мин он полностью исчезает. Выдержка в жидком состоянии после модифицирования ферросилицием и ферросиликобарием чугуна при температуре 1430 °С показала резкое снижение эффекта модифицирования в обоих случаях, при этом увеличение числа эвтектических зерен и уменьшение величины отбела имеют более высокие значения при модифицировании ферросиликобарием, чем ферросилицием. Своеобразным является поведение алюминия, когда воздействие его в течение примерно 6—7 мин на увеличение числа эвтектических зерен резко возрастает, а затем при достижении пика несколько убывает, являясь значительным даже после 25 мин выдержки. Аналогично изменяется глубина отбела, которая при достижении 6—7 мин снижается и остается на достаточно низком уровне в течение всего интервала выдержки чугуна как при температуре 1360 °С, так и при температуре 1430 °С. При этом уровень числа эвтектических зерен и уменьшение глубины отбела больше при температуре модифицирования 1360 °С, чем при температуре 1430 °С.

Полученные результаты исследований позволяют утверждать, что введение модификаторов в чугун ускоряет протекание металлургических процессов очищения расплава от неметаллических включений. При этом химический состав неметаллических включений изменяется в направлении образования легкоплавких компонентов. Данные частицы, таким образом, будут выполнять роль активных центров графитизации до тех пор, пока поверхность их не ошлакуется закисью железа. Это приводит к быстрому снижению эффекта модифицирования, причем этот процесс происходит тем быстрее, чем выше температура чугуна и чем более высокое содержание в нем кислорода.

Более продолжительные выдержки, обеспечивающие сохранение эффекта модифицирования

£ о

X а>

8-

у к

к

¡Г

2 5

Ю ё ей

и

1000

800

600

400

200

40

30

20

10

.5

6

ш ^ 4^1

4е

4,

1/

6

5

5 10 15 20 25

Продолжительность выдержки, мин

Рис. 1. Влияние продолжительности выдержки расплава на число эвтектических зерен и глубину отбела чугуна, модифицированного по 0,2% ФС60Ба22 (7, 2), ФС75 (3, 4) и А1 (5, 6) при 1360 и 1430 °С соответственно

добавок алюминия и силикобария, по сравнению с добавками ферросилиция связаны, вероятно, с природой образующихся неметаллических включений, служащих центрами кристаллизации графита.

В частности, при модифицировании чугуна алюминием и выдержке его в печи замечено, что на зеркале металла образуется плотная оксидная пленка, которая защищает чугун от проникновения кислорода из атмосферы и, тем самым, тормозит образование легкоплавких соединений с железом и кремнием. С увеличением продолжительности выдержки обработанного алюминием чугуна тугоплавкая оксидная пленка медленно растворяется. Образуемые мелкодисперсные оксиды, а также другие неметаллические соединения алюминия переходят в металл, образуют центры кристаллизации графита и, тем самым, постепенно увеличивают эффект модифицирования чугуна. Замечено, что после полного исчезновения оксидной пленки с поверхности металла эффект модифицирования чугуна алюминием постепенно исчезает.

Полученные результаты исследований по установлению действия алюминия позволяют выя-

г^с:?; ктгглттк

- 2 (38). 2008

/167

вить причину более продолжительного действия ферросиликобария по сравнению с ферросилицием. Это можно объяснить наличием в составе ферросиликобария ФС60Ба22 значительного количества алюминия (3—6%), который обеспечивает несколько большую продолжительность и эффективность его действия по сравнению с добавками ферросилиция ФС75, имеющими в своем составе примеси алюминия в меньших количествах (1,5—2,0%).

2 о

Полученные результаты исследований дают предпосылку использовать алюминий, ферроси-ликобарий и другие добавки для создания смесе-вого модификатора длительного действия.

На рис. 2 показаны результаты сравнительных исследований влияния продолжительности выдержки чугуна при температуре 1400 °С на число эвтектических зерен и величину отбела чугуна, модифицированного 0,2% ФС75, 0,2% ФС60Ба22, 0,1 %А1+0,2%ФС75, 0,06%АЖ),3%ФС75 и 0,1%А1+ +0,2%ФС60Ба22.

к 80

о &0

"60 ¡0 840 ¡0 В20 Й

О

к

о

-0,2% ФС60Ба22 — Ю,2%ФС75 0,1% А1 0,1% А1 + 0,2% ФС75 0,06 А1 + 0,3% ФС75 0,1% А1 + 0,2% ФС60Ба22

2 а б в г д

/ч 12, чЛ л_

У • 1 !л \ чЛ

г I 2 2 ' 2 ?

40 |

сз

зо 5

о

20°

Ж

к и

5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20

Продолжительность выдержки, мин

Рис. 2. Влияние продолжительности выдержки расплава при температуре 1400 °С на число эвтектических зерен (/) и глубину отбела (2) чугуна, модифицированного 0,2% ФС75, 0,2% ФС60Ба22 (а), 0,1%А1 (б), 0,1 %А1+0,2%ФС75 (в),

0,06%А1+0,3%ФС75 (г) и 0,1%А1+0,2%ФС60Ба22 (д)

0

Во всех случаях эффект модифицирования имеет тенденцию непрерывного уменьшения по мере увеличения продолжительности выдержки чугуна. Достаточно высокая эффективность отмечается в первые 5 мин после ввода модификаторов. Воздействие алюминия в течение первых 5— 7 мин резко возрастает, а затем несколько убывает, являясь значительным даже после 20 мин выдержки. В этом же направлении, но более эффективно действуют добавки 0,1%А1+0,2%ФС75 (рис. 2, в). Добавки 0,06%А1+0,3%ФС75 (рис. 2, г) обеспечивают значительное по сравнению с единичными добавками А1 и ФС75 увеличение числа эвтектических зерен и уменьшение величины отбела. При этом обеспечивается достаточно высокая «живучесть» смесевых модификаторов. Но наиболее высокую «живучесть» обеспечили совместные добавки 0,1%А1 и 0,2%ФС60Ба22 (рис. 2, д), которые имеют практически одинаковую величину отбела и сохранения числа эвтектических зерен на протяжении 20 мин выдержки модифицированного чугуна.

В связи с изложенными выше результатами исследований для разработки смесевого модификатора длительного действия были приняты добавки ферросиликобария и алюминия. Учитывая то, что в процессе длительной выдержки, а также переплава модифицированного чугуна может иметь место угар углерода, в состав ингредиентов был введен графит в виде графи-тированного коксика.

Чугун, содержащий 3,4% С, 1,8% 81, 0,6% Мп, 0,03% Б, выплавляли в индукционной печи ИСТ-1.0. После расплавления чугун перегревали до 1500 °С, охлаждали до температуры 1400 °С, при которой модифицировали в печи известным модификатором (а.с. 1098970), содержащим 0,19% ферросиликобария, 0,015% алюминия, 0,1% графита в количестве 0,3% от массы жидкого чугуна, и разрабатываемым модификатором, содержащим 0,15% ферросиликобария, 0,82% алюминия и 0,068% графита также в количестве 0,3% от массы жидкого чугуна. Использовали средние составы как известного, так и разрабатываемого модификатора. Производили разливки металла в формы с одновременным отбором проб для определения микро- и макроструктуры и механических свойств.

После 10-й минуты выдержки отбирали чугун из печи для последующего переплава чугуна, обработанного известным и разрабатываемым модификатором.

Результаты исследования эффекта модифицирования и его сохранение после переплава модифицированных чугунов приведены на рис. 3.

Наблюдается также закономерность, полученная в предыдущих исследованиях. В чугуне, обработанном известным модификатором, содержащим минимальное количество алюминия, величина отбела и число эвтектических зерен изменяются по закономерности, подобной при единичных добавках ферросиликобария. Добавка же раз-

1со //;ггттгп гг кфшлргга

Ш и / 2 (38). 2006 -

о

Я

<и

Он й>

го

X

к «

о о

н «

о

ё

г»

о ч

о к

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

4

03 Я

ь ^

>> со & са

си 5

5 I

< 1 4

3 <

н Р и к

2 г 2' у

35 30 25 20 15 10 5 0

св

5

О 03

д

я ю

£

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 5 10 15 20

Время выдержки в печи, мин

Время выдержки после переплава, мин

Рис. 3. Влияние времени выдержки чугуна в печи и в печи после переплава на число эвтектических зерен в чугуне обработанном: 1 — разрабатываемым модификатором; 3 — известным модификатором; Г — разрабатываемым модификатором после переплава чугуна; 3' — известным модификатором после переплава чугуна; на глубину отбела: 2 — разрабатываемым модификатором; 4 — известным модификатором; 2' - разрабатываемым модификатором после переплава чугуна; 4' — известным

модификатором после переплава чугуна

рабатываемого модификатора сохраняет достаточно высокий эффект модифицирования даже после часовой выдержки модифицированного чугуна. Так, если число эвтектических зерен и величина отбела чугуна, обработанного известным модификатором, достигает своего первоначального значения по числу эвтектических зерен и величине отбела примерно на 20—25 мин, то число эвтектических зерен и величина отбела чугуна, обработанного разрабатываемым модификатором, по этим показателям не достигли исходных значений даже после часовой выдержки.

При вторичном переплаве чугуна, модифицированного разрабатываемым модификатором, сохраняется его структурная наследственность — достаточно высокое число эвтектических зерен («1000 шт.) и низкое значение величины отбела (4—5 мм). В то же время чугун, обработанный для сравнения известным модификатором, практически не обеспечил сохранения эффекта модифицирования и передачу наследственных свойств после переплава. Величина отбела после расплавления равнялась 20 мм, т.е. значению отбела, полученного во время отбора чугуна для переплава на 10-й минуте, и низкому значению по числу эвтек-

тических зерен (примерно равному исходному значению, полученному до переплава («350 шт.)).

На основании полученных результатов установлен состав модификатора, содержащий ферро-силикобарий, алюминий и графит. При соотношении компонентов ферросиликобарий — 45—55%, алюминий - 30-25, графит - 25-20% обеспечивает улучшение структуры и свойств отливок, имеет увеличенную продолжительность действия, сохраняет структурную наследственность после переплава модифицированного чугуна. На разработанный модификатор получен патент РБ №7538 по заявке 20030367 от 22.04.2003 г.

Литература

1. Никитин В.И. Наследственность в литых сплавах. Самара: СамГТУ, 1995.

2. Курганов В.А. О перспективах применения доменных чугунов с новыми наследственными свойствами // Информационный бюллетень ИТЦМ «Металлург». 2005. №7, 8.

3. Повышение эффективности модифицирования серого чугуна // Тез. докл. четвертого съезда литейщиков России, 20—24 сентября 1999 г., М., С.75.

4. Писаренко Л.З. Новые модифицирующие смеси для улучшения структуры и свойств чугуна в отливках. Мн.: Институт прикладных исследований, 1992.