ФЛЮС ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
FLUX FOR CENTRIFUGAL CASTING OF BIMETAL BLANKS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центробежному литью биметаллических заготовок, например прокатных валков с рабочим слоем из легированного чугуна и сердцевиной с шейками из чугуна с шаровидным графитом.
При изготовлении подобных изделий, отличающихся повышенной массой (10…25 т) и значительной толщиной рабочего слоя (70…150 мм), роль флюса как защитного и рафинирующего покрытия после ввода его на зеркало жидкого металла внутренней поверхности рабочего слоя валка, становится определяющей, так как обеспечивается направленное затвердевание отливки (подавляется встречный фронт кристаллизации от внутренней поверхности заготовки) и улучшаются качественные показатели изделия, благодаря его рафинирующей способности.
В связи с этим к флюсу, используемому для центробежного литья биметаллических заготовок, предъявляются специфические требования:
- температура плавления флюса в интервале температур кристаллизации должна быть на 200…250°С ниже температуры солидус металла рабочего слоя;
- в интервале рабочих температур при заливке и кристаллизации металла рабочего слоя динамическая вязкость флюса не должна превышать 2…3 пз;
- плотность флюса должна быть меньше плотности основного металла в 2,5…3,0 раза;
- расплавленный флюс должен иметь сравнительно низкую теплопроводность и служить надежной защитой от охлаждающего влияния атмосферы, а также преградой для перехода из нее в металл кислорода, азота, водорода;
- расплавленный флюс должен обладать большой рафинировочной емкостью, т.е. способностью растворять вредные примеси и очищать металл от газов, неметаллических включений и примесей;
- расплавленный флюс должен обладать высоким межфазным натяжением на границе с расплавленным металлом, достаточно высоким поверхностным сцеплением (когезией) и минимальным межфазным натяжением на границе с неметаллическими включениями, что облегчает их удаление из металла рабочего слоя;
- при рабочих температурах компоненты флюса не должны вступать в химическое взаимодействие с расплавленным металлом;
- флюс не должен содержать дорогостоящих и дефицитных компонентов;
- флюс не должен содержать токсичных компонентов.
В настоящее время при изготовлении биметаллических заготовок получили применение различные составы флюсов.
Известен модифицирующий флюс для центробежного литья чугунных заготовок, содержащий неметаллическую составляющую и порошок железа в количестве 5-85%. Неметаллическая (шлакообразующая) часть содержит окислы алюминия, кремния, натрия, кальция, бора и фторида кальция (SU №560696, кл. B22D 13/00, 1977).
Указанный состав флюса имеет сравнительно низкую температуру плавления (~ 850°С), при этом жидкий флюс достаточно хорошо покрывает внутреннюю поверхность жидкого металла, находящегося во вращающейся форме, плотным слоем, защищая основной металл от проникновения кислорода из атмосферы и образования окислов, препятствующих свариванию с заливаемым вторым металлом.
Однако указанный состав флюса имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что он плохо удаляет оксидную пленку, образующуюся на внутренней поверхности рабочего слоя заготовок из высоколегированных чугунов, ухудшая свариваемость разнородных по химическому составу сплавов.
Известен флюс, применяемый для центробежной отливки биметаллических заготовок (RU №358075, флюс, бюл. №34 от 03.11.1972), содержащий следующие компоненты, мас.% (аналог):
плавиковый шпат
15-35
бура
10-25
хлористые соли
5-15
кальцинированная сода
10-25
силикатная глыба
остальное.
К достоинствам указанного состава флюса можно отнести его хорошее растекание на поверхности жидкого металла рабочего слоя заготовки, а также сравнительно низкую температуру плавления (~620°С).
Однако имея низкую вязкость (1,0-0,4 пз) при высоких температурах он неспособен удержаться на внутренней поверхности заготовки при рабочих температурах 950-1000°С во время установки формы в вертикальное положение для заливки второго металла и полностью стекает, оголяя внутреннюю поверхность, что приводит к ее окислению и как следствие к плохой свариваемости двух слоев металла.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) является состав флюса для центробежного литья (RU 2262413 С1, кл. B22D 13/00 от 01.04.2004 г.), содержащий кальцинированную соду, буру, плавиковый шпат, силикатную глыбу, отличающийся тем, что дополнительно содержит известняк и борат кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кальцинированная сода (Na<sub>з</sub>СО<sub>2</sub>)
3-8
бура (Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub>)
10-12
плавиковый шпат (CaF<sub>2</sub>)
12-17
известняк (CaO)
8-12
борат кальция (СаО·В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>)
35-40
силикатная глыба
остальное.
При использовании указанного флюса достигается сравнительно низкая температура его плавления (~750°С), хорошая смачиваемость и удовлетворительное растекание на поверхности металла.
Флюс относится к категории «длинных» флюсов с ширрким температурным интервалом кристаллизации.
При рабочих температурах его вязкость довольно высока (2,0-3,0 пз), что позволяет слою флюса полностью удерживаться на внутренней поверхности рабочего слоя валка при установке формы в вертикальное положение для заливки второго металла.
Отмечается, что плотность флюса при рабочих температурах повышена по сравнению с известными аналогами.
Однако те некоторые преимущества, которые указаны в заявке, как например, повышенная вязкость флюса при рабочих температурах и его повышенная плотность, являются недостатками технологического процесса при производстве биметаллических прокатных валков.
Так, высокая вязкость флюса при рабочих температурах (2-3 пз) в прототипе не позволяет стекать флюсу за пределы формы, и поэтому ухудшает качество сваривания двух металлов, так как загрязнения, вредные примеси и неметаллические включения, перешедшие из металла во флюс, остаются в нем. Даже заливка второго металла, как показывает практика, не способна вывести указанные дефекты в прибыльную зону.
Флюс при выведении формы в вертикальное положение обязательно должен на 1/3 своей первоначальной массы вытечь и этим самым вывести все загрязнения из полости формы.
Лишь оставшаяся часть флюса, очищенная от загрязнений и плотно примыкающая к внутренней поверхности рабочего слоя валка обеспечивает его от охлаждения и окисления перед заливкой второго металла.
3
Повышение плотности флюса в прототипе до 2,5-2,6 г/см также является его недостатком, так как замедляет скорость его всплывания при заливке второго металла, давая возможность остаткам флюса остаться в теле отливки, что приводит к браку отливок по несвариванию двух слоев.
В составе прототипа содержится неоправданно завышенное содержание борита кальция (при наличии буры) в количестве 35-40%, так как это ведет к значительному переходу бора в металл рабочего слоя валка из высоколегированных чугунов, что приводит к охрупчиванию, появлению трещин и, как следствие, браку валков.
Еще одним недостатком прототипа является высокая теплопроводность флюса, которая способствует быстрому охлаждению внутренней поверхности рабочего слоя валка и образованию второго фронта кристаллизации, который двигаясь навстречу наружному фронту в месте встречи образует дефекты усадочного происхождения, приводящие к браку отливок из-за нарушения принципа направленной кристаллизации.
Указанные недостатки с применением флюса (прототипа) приводят к браку отливок по вине флюса из-за несвариваемости, поломкам и трещинам.
По данным, представленным в патенте, количество забракованных валков составляет 3%, что недопустимо в условиях промышленного производства массивных валков (10-25 т) с учетом дорогостоящих материалов (никеля, молибдена, хрома и др.) в составе высоколегированного рабочего слоя валка, а также высокой стоимости окончательно обработанных биметаллических валков.
Предлагаемый состав флюса для центробежного литья биметаллических заготовок позволяет обеспечить его защитные свойства от охлаждающего влияния атмосферы и этим самым обеспечить направленный характер затвердевания внешнего слоя изделия и его высокие прочностные характеристики, а также его рафинирующую способность и вывод прослойки флюса на внутренней поверхности отливки в прибыльную часть при заливке второго слоя металла, тем самым, гарантируя прочное сваривание двух разнородных по химическому составу металлов.
Указанный технический результат достигается тем, что флюс для центробежного литья биметаллических заготовок, содержащий силикат натрия, окись кальция, фтористый кальций, буру, отличающийся тем, что при соотношении компонентов (мас.%):
окись кальция (СаО)
33-37
фтористый кальций (CaF<sub>2</sub>)
18-21
бура (Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub>)
13-15
силикат натрия (n N<sub>2</sub>О·m SiO<sub>2</sub>)
остальное
2
3
дополнительно содержит AlО и MgO в соотношении соответственно 3:1 в количестве 5,0-7,5 мас.% от общей массы компонентов.
Введение окиси кальция СаО улучшает смачиваемость и повышает его рафинирующие свойства, в частности, десульфуризацию металла.
При введении во флюс известняка (СаО) более 37% повышается его температура плавления, а добавка СаО менее 33% незначительно сказывается на температуре плавления флюса.
2
Введение фтористого кальция (CaF) придает флюсу жидкотекучесть, делает флюс не чувствительным к влаге и способствует очищению металла от вредных примесей.
2
Содержание фтористого кальция (CaF) выше 21% снижает вязкость флюса, делает его «коротким», разжижая его до состояния, когда он практически весь стекает при установке формы с рабочим слоем в вертикальное положение, обнажая его внутреннюю поверхность и способствуя его окислению.
2
Добавка фтористого кальция (CaF) ниже 18% повышает вязкость флюса при рабочих температурах, снижая его смачиваемость.
2
4
7
Введение во флюс буры (NaBO) способствует понижению его температуры плавления, растворению окисных включений в металле и улучшению жидкотекучести.
2
4
7
Добавка буры (NaBO) более 15% приводит к увеличению вязкости флюса и снижению его смачиваемости, а введение ее менее 13% не приводит к существенному изменению его свойств.
2
2
Остальным компонентом флюса является силикат натрия (nNaO·mSiO), который в составе флюса играет роль связующего, а его введение способствует понижению температуры плавления и увеличению жидкотекучести флюса.
2
3
Оригинальность предлагаемого состава флюса заключается в том, что в его составе дополнительно вводятся окислы AlО и MgO, которые способствуют благодаря совместному действию расширению температурного интервала кристаллизации и переводу предложенного состава флюса в категорию «длинных» шлаков.
Это позволяет перед заливкой второго металла обеспечить вытекание определенной части флюса (примерно 1/3 ее первоначальной массы) с ассимилированными неметаллическими включениями и вредными примесями при переводе формы в вертикальное положение. Очищенная часть флюса остается на внутренней поверхности рабочего слоя и всплывает в прибыльную зону отливки при заливке второго металла, формирующего сердцевину и шейку валка.
2
3
Соотношение окислов AlО и MgO составляет 3:1 и определяется из эффективного влияния каждого из составляющих на свойства флюса.
2
3
2
3
2
3
При изменении соотношения AlO:MgO, в котором AlО содержится более чем 3 части в составе добавки температурный интервал флюса расширяется настолько, что он вытекает полностью из внутренней полости рабочего слоя, а при добавке AlО менее чем 3 части флюс приближается к разряду «коротких» и при рабочих температурах 980…1050°С не вытекает с поверхности рабочего слоя, оставляя загрязнения в виде примесей и неметаллических включений в теле отливки.
2
3
При содержании MgO в указанном соотношении более 1 части повышается вязкость флюса и он приближается к разряду «коротких», а при меньшем его значении не сказывается на изменении вязкости. При суммарном количестве AlО с MgO в указанном соотношении в составе флюса более 7,5% происходит чрезмерное разжижение флюса, а при значении, меньшем 5,0%, флюс не выполняет функции, относящиеся к категории «длинных» флюсов.
Флюс с заявленным составом компонентов прошел промышленные испытания на ЗАО «Магнитогорский завод прокатных валков».
Изготовление флюса осуществлялось следующим способом. Предварительно прокаленные компоненты флюса плавили во флюсоплавильной печи.
2
Сплавленную массу флюса размалывали в порошок до размеров не более 1 мм и запаковывали в полиэтиленовые пакеты, которые вводили с помощью специального устройства на зеркало залитого во вращающуюся форму металла из расчета 2,0-2,5 кг флюса на 1 м поверхности рабочего слоя валка.
Флюс покрывает ровным слоем зеркало жидкого металла рабочего слоя валка, надежно защищая его от охлаждающего влияния атмосферы, а при затвердевании металла и переводе формы в вертикальное положение частично вытекает (из 15 кг введенного флюса с вредными примесями вытекло 5 кг, очистив оставшийся для защиты внутренней поверхности флюс).
При заливке второго металла при температуре внутренней поверхности 980…1050°С флюс, имея температуру плавления 800…850°С, равномерно расплавляясь, всплывает в прибыльную часть валка, очищая поверхность рабочего слоя для прочного сплавления с заливаемым чугуном.
Промышленные испытания флюса производились при отливке пяти биметаллических листопрокатных валков диаметром бочки ~1000 мм и массой 15…20 т каждый.
При вводе флюса во вращающуюся форму с жидким металлом никакого дымления не наблюдалось. Все отлитые биметаллические валки прошли установленный цикл термической и механической обработки, а также 100% ультразвуковой контроль качества сваривания биметаллического валка. При этом никаких дефектов в зоне сваривания двух разнородных чугунов рабочего слоя и сердцевины валка выявлено не было. Изготовленные с применением заявленного состава флюса прокатные валки успешно эксплуатируются на станах «2000» и «2500» ОАО «ММК».
Таким образом, предложенный состав флюса, опробованный в промышленных условиях, полностью обеспечивает требуемое качество массивных биметаллических прокатных валков по одному из основных показателей - свариваемости двух разнородных по химическому составу чугунов.