Механизм и разновидности модифицирования высокопрочного чугуна

Мельниченко Николай Васильевич, канд. техн. наук, доц., (4872)372575, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STRUKTURE FORMATION IN THE FRIKTION LAYER UNDER IMPULSE LOADS

N. V. Melnichenko

Structure Formation in the surface layer under impulse cohesion between the surfaces of friction in high contrast loads has been investigated.

Key words: sliding friction, tribological structure, friction welding.

Melnichenko Nikolaj Vasilevich, candidate of technical science, docent, (4872)372575, Russia, Tula, Tula State University

УДК 669.131.6

МЕХАНИЗМ И РАЗНОВИДНОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Р.Н. Зенкин

Рассмотрены основные разновидности повышения прочностных и эксплуатационных характеристик металлоизделий связанных с глубоким и эффективным воздействием на структуру кристаллизующегося металла путем внепечной обработки расплава микролигирующими и модифицирующими присадками.

Ключевые слова: микролегирование, модифицирование, реакционная камера, высокопрочный чугун, шаровидный графит.

Механизм воздействия элементов на свойства высокопрочного чугуна при микролегировании и модифицировании различен. Микролегирование, изменяя химический и фазовый составы чугунов, имеет длительный и устойчивый характер воздействия легирующих элементов. В отличие от микролегирования модифицирование связано не только с изменением структуры и свойств металлической основы, но прежде всего с трансформацией неметаллических включений. Слово «модификатор» означает изменение формы (от латинского шоёШсо).

При модифицировании система расплав-модификатор переводится в неустойчивое неравновесное состояние. Важная особенность модифици-

рования это затухание модифицирующего эффекта и стремление системы вернуться в исходное состояние. Это обусловлено интенсивным взаимодействием активных элементов модификатора с примесями жидкого чугуна и окислением кислородом воздуха. В связи с этим для получения максимального эффекта модификатор следует вводить в расплав непосредственно перед разливкой или в процессе разливки.

Другая особенность модифицирования заключается в том, что концентрация элемента-модификатора должна находиться в определенных довольно узких пределах. Недостаточное его содержание не обеспечивает требуемого изменения структуры и свойств металла, и, наоборот, избыточное содержание элемента может привести к ухудшению структуры и свойств металла, т. е. существуют понятия «недомодифицирование» и «пе-ремодифицирование». При микролегировании таких резких изменений свойств обрабатываемого металла не происходит. Таким образом, модифицирование это процесс обработки металлического расплава химически активными элементами с переводом всей системы, включающей в себя расплав, остаточные концентрации элементов и продукты их взаимодействия с примесями, в неустойчивое неравновесное состояние.

Рассматриваются, по крайней мере, три механизма воздействия модификатора на металл. Согласно первому из них, при модифицировании увеличивается количество в расплаве тугоплавких неметаллических включений, которые могут быть центрами кристаллизации. Если эти включения находятся в физическом, химическом и структурном соответствии с основным металлом, они оказывают инокулирующее действие. Например, инокулирующая способность различных соединений увеличивается в ряду: оксиды, сульфиды, бориды, нитриды, карбиды, интерметаллиды [1].

Второй механизм модифицирования связан с адсорбцией элемента-модификатора на поверхности раздела фаз кристалл — расплав, вследствие чего происходит замедление скорости роста кристаллов. Это так называемый адсорбционный механизм модифицирования, обусловленный высокой поверхностной активностью модификатора.

Наконец, согласно третьему механизму, модифицирование связывают с предельной растворимостью модификатора в железе [2]. При этом чем меньше растворимость элемента в железе, тем при меньшей его концентрации может проявиться модифицирующий эффект. Растворимость магния и щелочноземельных металлов в жидком железе уменьшается от магния к барию. В такой же последовательности увеличивается поверхностное натяжение железоуглеродистых расплавов после введения магния (1665), кальция (1730) и бария (1800 мДж/м2) [3]. Термодинамическими расчетами показано, что из всех щелочноземельных металлов обработка жидкого железа наиболее целесообразна барием [4].

Эффективный модификатор, действующий по адсорбционному механизму, должен отвечать следующим требованиям [5]:

иметь низкую растворимость в твердом металле и ограниченную в жидком;

быть донором свободных электронов для жидкого металла, т. е. иметь низкий потенциал ионизации;

располагаться по границам кристаллов и кластеров, но не входить в их состав.

Растворимость иттрия, лантана и церия в твердом железе составляет соответственно менее 0,34; 0,02...0,15 и 0,35...0,67 мас. %. Магний и ЩЗМ в твердом железе не растворяются. В жидком железе растворимость М^, Са, Бг и Ва при температуре 1600°С составляет соответственно 0,9842;

0,0562; 0,0028 и 0,0003 %.

Шаровидная форма графита в чугуне может быть получена при модифицировании его небольшими присадками Мg, Са, У, Се и другими РЗМ. Однако наиболее эффективный сфероидизирующий элемент - магний, так как только он обеспечивает наиболее правильную форму шаровидных включений графита в чугуне различного состава и, кроме того, полная сфероидизация графита в чугуне происходит уже при 0,03% Мg, тогда как при использовании других сфероидизирующих элементов их содержание в чугуне должно быть в ~ 2 раза больше. Поэтому магний это основной компонент в модификаторах для получения ЧШГ, остальные сфероидизирующие элементы используют, как правило, совместно с магнием и в определенных условиях существенно повышают качество получаемого чугуна.

Важнейшие физические свойства магния, вводимого в жидкий чугун, температура его плавления Тпл = 650°С (зависит от чистоты магния), кипения Гк = 1107°С и упругость пара. Низкая температура парообразования магния - основное препятствие для создания технологичного и безопасного процесса его ввода в жидкий чугун.

С повышением температуры давление насыщенного пара чистого магния резко возрастает. Если при 1200°С оно составляет 2 атм., то при 1400°С уже 8 атм. Следовательно, при давлении 2 атм. магний будет находиться в жидком состоянии до 1200°С, а при 8 атм. до 1400°С, что чрезвычайно важно для выбора способа ввода магния в жидкий чугун - в автоклаве под специально создаваемом давлением или в герметизированных ковшах под самодавлением, развиваемым парами магния.

С момента появления ЧШГ в 1948 г. разработано много способов модифицирования жидкого чугуна, однако все они могут быть классифицированы по виду применяемого модификатора и по методу ввода модификатора в жидкий чугун.

По виду применяемых модификаторов способы можно разделить на два вида модифицирования:

1. Чистым магнием;

2. Mg-содержащими композициями.

По методу ввода модификатора в жидкий чугун способы можно разделить на три вида модифицирования:

1. С помощью специального оборудования;

2. В обычных разливочных ковшах или непосредственно в плавильной печи;

3. Внутриформенное.

Модифицирование чистым магнием осуществляется только с помощью специального оборудования, Mg-содержащими композициями, как правило, в разливочных ковшах или непосредственно в форме. Рассмотрим наиболее распространенные способы получения ЧШГ.

Модифицирование чугуна с помощью колокола. При использовании для модифицирования чистого магния необходимо обеспечить глубинный ввод его в расплав, то есть принудительное и достаточно глубокое погружение легкого магния (плотность 1,74 т/м3) в жидкий чугун, и безопасность в работе, то есть изоляцию работающих от действия сгорающих паров магния и выбросов металла. Эту задачу, на первых порах, решали с помощью колокола — стальной коробки круглого или прямоугольного сечения, укрепленной на штанге, с помощью которой колокол погружали в жидкий чугун.

Конструкция колокола, важный фактор успешного проведения операции по введению магния в чугун, определяет продолжительность реакции взаимодействия магния с чугуном, а также степень его усвоения. Главное в конструкции колокола — его суммарная площадь, диаметр отверстий в боковых стенках и толщина последних. Недостаточная толщина стенок приводит к преждевременному расплавлению колокола, всплыванию магния и сгоранию его на поверхности без усвоения жидким чугуном. При чрезмерно большой толщине стенок в отверстиях колокола образуются настылы, в результате чего реакция магния с чугуном может не произойти. Из-за большой площади отверстий в стенках колокола чрезмерно ускоряется испарение магния, и он недостаточно усваивается жидким чугуном, при слишком малой значительно увеличивается продолжительность процесса, что может привести к захолаживанию металла. Таким образом, количеством и размером отверстий в боковой поверхности колокола пытались регулировать процесс обработки чугуна чистым магнием.

В производственных условиях ввести магний с помощью колокола можно одним из трех способов:

в специальных камерах, в которых механизм управления погружением и подъема колокола вынесен за ее пределы;

в копильнике вагранки;

с помощью простых защитных устройств, например, крышки, закрывающей ковш при погружении колокола.

К недостаткам способа ввода магния с помощью колокола следует отнести, в первую очередь, весьма низкую степень усвоения магния (рас-

ход чистого магния составляет 0,3...0,7% от массы модифицируемого чугуна в зависимости от температуры чугуна и вместимости ковша), а также большой расход колоколов, так как колокол используется только 1 раз. Правда, последнее можно устранить, используя колокола из огнеупорного материала или с огнеупорным покрытием, для чего необходимо новое решение регулирования процесса взаимодействия магния с чугуном.

Модифицирование чугуна в герметизированных ковшах. Магний для модифицирования в таких ковшах закладывают в специальную реакционную камеру (РК) через отверстие, герметично закрываемое крышкой. С полостью ковша РК соединяется калиброванным отверстием. Расположение РК таково, что при заполнении ковша металлом из печи, последний в нее не попадает, так как РК с магнием находится над металлом. После закрытия крышки ковша и поворота его на 90° РК с магнием оказывается ниже уровня металла, и он попадает в РК через калиброванное отверстие, расплавляя и испаряя магний, пары которого через то же отверстие про-булькивают в ковш, взаимодействуя с элементами чугуна.

Скорость реакции зависит от размеров калиброванного отверстия, соединяющего РК с ковшовым пространством, и регулируется ими. Отсюда появляются технологические сложности в регулировании стабильности процесса, так как сохранение размеров калиброванного отверстия зависит от качества огнеупорных материалов и температурного режима процесса. На практике это создает большие трудности.

Разработчиком герметизированных ковшей, ФГУП "ЦНИИТмаш", спроектировано и изготовлено два типа ковшей различной вместимости: барабанные и конверторные. Как показала практика, наиболее технологичными оказались ковши конверторного типа, однако и они не нашли широкого применения из-за большой трудоемкости обслуживания и необходимости поддержания высокой температуры исходного чугуна, что практически исключает возможность использования ваграночного чугуна. Кроме того, степень использования магния, хотя и выше, чем при модифицировании с помощью колокола, однако остается достаточно низкой и, как правило, < 60%. Зато в экологическом плане модифицирование чугуна магнием в герметизированных ковшах это наиболее совершенный способ, так как ковш остается закрытым до завершения процесса обработки чугуна магнием, следовательно, пироэффекта и сопутствующего ему образования дыма не наблюдают.

Такой же принцип модифицирования используется и в ковшах О. БісЬег, прототипом которых фактически являются ковши ЦНИИТмаша. Ковши О. БісИег отличаются формой и расположением РК, отсутствием герметичной крышки ковша. Отсутствие герметичной крышки упростило механизмы ковша, однако заставило создать мощные вентиляционные и очистные устройства, что в сотни раз увеличило стоимость установки О. БісИег в сравнении с герметизированными ковшами ЦНИИТмаша.

Модифицирование чугуна в автоклавах. Другим экологически чистым способом модифицирования чугуна магнием можно считать модифицирование в автоклавах. Этот способ основан на введении магния в чугун в специальной камере под предварительным давлением 4...6 атм. При этом магний вводят погружением его при помощи колокола либо при замешивании его с поверхности чугуна специальными мешалками. Давление насыщенного пара магния при 1400°С составляет 8 атм., при 1300°С - 4 атм. Таким образом, при давлении 6 атм. магний может находиться в жидком состоянии до 1350°С, то есть регулирование процесса обработки чугуна магнием осуществляется при помощи избыточного давления. Коэффициент использования магния при модифицировании в автоклаве 0,5...0,6.

Модифицирование чугуна способами непрерывной подачи модификатора. Наиболее перспективный в настоящее время способ непрерывной подачи модификатора в жидкий чугун, так называемый проволочный метод. Суть метода в том, что модификатор вводится в чугун в виде проволоки, металлической оболочки, заполненной порошком модификатора, порошковой проволоки (ПП). Выпускаемые в настоящее время ПП имеют

03...14 мм. ПП с помощью специального устройства (трайб-аппарата) вводится в ковш, заливочную чашу или в струю металла. Скорость введения ПП в чугун зависит от материала оболочки и должна быть подобрана так, чтобы она растворялась, возможно, глубже в металле. При обработке в ковше растворение оболочки ПП должно происходить вблизи дна ковша. Металлическую оболочку ПП можно заполнять не одним, а несколькими модификаторами, перемешанными в различных соотношениях, в зависимости от желаемых результатов модифицирования. Анализ данных по обработке чугуна в 1000 кг-ковшах ПП 05 мм (масса погонного метра 71...78 г, содержание магния 8...9 г) показал, что для введения магния, необходимого для получения в чугуне шаровидной формы графита, скорость подачи проволоки должна быть 5,2 м/с., при этом усвоение магния < 30%.

Разновидностью проволочного метода можно считать прутковый метод модифицирования, который основан на непрерывном, дозированном во времени, введении в ковш с жидким чугуном прутков или проволоки чистого магния. Прутки магния вводят в ковш через специальную фурму в стенке ковша. Диаметр прутков 15...20 мм, длина 300... 800 мм. Подача прутков осуществляется с помощью роликов или винта. Ковши применяют как барабанные, так и обычные конусные. Перед наполнением ковша чугуном отверстие в фурме закрывают пробкой, которая при вводе магниевого прутка выталкивается и всплывает на поверхность металла. Для отвода дыма над ковшом устанавливают вытяжной зонт. Прутки вводят со скоростью 20...35 см/мин. Реакция протекает сравнительно спокойно, однако расход магния велик — 0,3...0,45%, а усвоение его < 50%. Основные недостатки метода: сильное загрязнение окружающей среды и большой расход магния.

К непрерывным способам дозированного ввода магния в чугун относится также инжекция в газовом потоке порошка или гранул магния с помощью специальной огнеупорной фурмы. Этот способ нашел применение в металлургии для десульфурации доменного чугуна.

Ряд других способов непрерывного дозированного ввода магния основаны на применении специального колокола-испарителя. Один из таких способов разработан Донецким НИИ черной металлургии для получения больших масс ЧШГ при литье изложниц. Суть способа состоит в регулируемом вводе магния в испаритель с одновременной подачей в испаритель газа, которым металл удерживается на уровне отверстий в испарителе. Пары магния через отверстия в колоколе поступают в металл, обеспечивая его модифицирование. Величина разового заряда 4...6 слитков магния массой 32...48 кг. Слитки соединяют в гирлянды и подвешивают в полой штанге испарителя. Расход газа 300...400 м3/ч в начале и конце процесса и

120... 180 м3/ч в ходе модифицирования. Скорость испарения магния

0,08...0,12 кг/с.

Внутриформенное модифицирование чугуна. Технология внутрифирменного модифицирования чугуна 1пшоМ-процесс получила широкое распространение в мировой практике производства отливок из ЧШГ, особенно при крупносерийном и массовом производстве.

Модифицирование чугуна этим способом осуществляется непосредственно в момент заливки формы, для чего в литниковой системе предусматривают РК, в которую перед сборкой формы закладывают модификатор. Во время заливки чугун, проходя через РК, взаимодействует с находящимся в ней модификатором. Таким образом, реакция модифицирования проходит в закрытом пространстве. Отсутствие прямого контакта с внешней средой способствует протеканию процесса без пироэффекта и дымо-выделений, что улучшает условия труда при получении отливок из ЧШГ. Усвоение магния при внутриформенном модифицировании достигает 80%.

К недостаткам этого метода относятся:

1. Необходимость предварительного глубокого обессеривания чугуна;

2. Ограничение массы отливки;

3. Уменьшение выхода годного;

4. Шлаковые засоры;

Необходимость 100% контроля качества чугуна. Одна из разновидностей модифицирования в форме, но лишенная части отмеченных недостатков, - метод Б1о1;-ге1. По этому методу исходный чугун переливают через специальный реактор, в который предварительно помещают необходимое количество модификатора. Пироэффект и дымовыделение отсутствуют, усвоение магния 50...60%, падение температуры - 70...90°С.

К недостаткам метода относят необходимость использования низкосернистого чугуна с содержанием серы < 0,02% и сравнительно неболь-

шое (до 1 т.) разовое количество обрабатываемого чугуна.

Модифицирование МДС-процессом. Это - наиболее перспективная в настоящее время технология, которая может быть использована в любом производстве без дополнительных капвложений и при соблюдении санитарных норм. Технология подготовки ковшей при МДС-процессе аналогична 8апёу1зЬ-процессу. Принципиальное отличие - в подготовке модификатора. Модификатор в МДС-процессе имеет фракционный состав, который позволяет удерживать модификатор на дне ковша при заполнении его чугуном силами поверхностного натяжения до полного завершения процесса. Влияние технологических факторов, температуры чугуна, состава модификатора и массы обрабатываемого чугуна на протекание процесса модифицирования хорошо изучено, что позволяет управлять процессом с целью минимизации пироэффекта и дымовыделений и получения заданной структуры и свойств чугуна. МДС - процесс позволяет использовать для получения ЧШГ любой М§ - содержащий модификатор определенного фракционного состава и даже дисперсный порошок чистого магния в смеси с ферросилицием или другими добавками.

Рис. 1. “Сэндвич” - процесс с карманом и контейнерное модифицирование

Так, в чугунолитейном производстве проходят опытную апробацию две технологии СМ ЧШГ с применением "легкой" лигатуры: усовершенствованный "сэндвич" - процесс с карманом и контейнерное модифицирование.

По этой технологии в классическом варианте (рис. 1) модификатор размещается в ковше в специальном реакционном кармане. Перед сливом металла из печи ожидания в заливочный ковш навеска модификатора вводится через специальную трубу в карман и присыпается сверху покровным материалом, который задерживает всплывание модификатора и препятствует его быстрой реакции с расплавом. Покровным материалом может быть мелкая стальная нелегированная высечка, чугунная стружка или дробь. При заполнении ковша струя расплава подается ближе к носку ковша во избежание размывания слоя присыпки и преждевременной реакции модификатора с расплавом. Ввиду того, что реакция с модификатором протекает очень бурно, для предотвращения выплеска металла после за-

полнения ковша на половину его объема дается минутная выдержка для завершения пироэффекта. После визуальной оценки окончания реакции ковш полностью заполняется металлом. Данная технология обеспечивает высокое качество чугуна в отливках при эффективном вторичном графити-зирующим модифицированием расплава, но сопряжена с трудоемкостью ввода модифицирующего и покровного материалов.

Используя данную технологию в классическом исполнении при опытных работах, получили качественные отливки деталей кулак поворотный и корпус подшипника ступицы заднего колеса из ВЧ40.

С учетом того, что освоение "сэндвич" - процесса предусматривает использование базовых заливочных ковшей, в условиях действующего чугунолитейного производства он не может быть применен в классическом виде из-за большой толщины донной части футеровки, не занятой реакционным карманом. Это вызывает существенное снижение металлоемкости ковша и в результате - падение производительности

Список литературы

1. Скок Ю.Я. Омеханизме модифицирования стали / Ю.Я. Скок, В.А. Ефимов // Проблемы стального слитка. М.: Металлургия, 1978. С. 4347.

2. Чернов В.С. О механизме модифицирования металлов / В.С. Чернов, Ф.И. Бусол //Изв. АН СССР. Металлы. 1975. № 2. С. 71-77.

3. Шумихин В.С. Поверхностные свойства железоуглеродистых сплавов и их роль при модифицировании / В.С. Шумихин, В. Л. Лохненко, А.М. Верховлюк [и др.]. // Процессы литья, 2000. №3. С. 44-48.

4. Верятин У. Д. Термодинамические свойства неорганических веществ: справочник / У.Д. Верятин, В.П. Маширев, Н.Г. Рябцев [и др.]. М.: Атомиздат, 1965. 460 с.

5. Литовка В.И. Повышение качества высокопрочного чугуна в отливках. Киев: Наукова Думка, 1987. 208 с.

Зенкин Руслан Николаевич, асп., Россия, Тула, Тульский государственный университет

MECHANISM AND A VARIETY OF HIGH-MODIFICA TION CHUGAI

R.N. Zenkin

The main varieties of increasing the strength and performance of metal associated with a deep and effective influence on the structure of metal by crystallizing melt furnace processing mikroligiruyuschimi and modifying additives.

Key words: microalloying, modification, the reaction chamber, ductile iron, spheroidal graphite.

Zenkin Ruslan Nikolaevich, post graduate, Russia, Tula, Tula State University