|
Высокопрочный чугун в литом
состоянии получают при введении в жидкий металл таких
элементов-модификаторов, как Mg, Се, Y, Са и др. Наибольшее практическое
применение получил Mg. При его содержании в чугуне 0,03—0,05 % графит
кристаллизуется в виде шаровидных включений (глобулей).
В определенных случаях для сфероидизации графита применяют
редкоземельные металлы (РЗМ), например в виде добавок ферроцерия или Fe—Si —
РЗМ-лигатур (25—40 % РЗМ). Эти лигатуры характеризуются простотой ввода в
чугун, но вместе с тем высокой стоимостью и необходимостью иметь низкое
содержание серы в исходном чугуне.
Получение шаровидной формы графита в высокопрочном чугуне
практически не ограничивается толщиной стенки и массой отливки. Высокопрочный
чугун широко применяют для деталей металлургического оборудования, коленчатых
валов различных двигателей, деталей сельскохозяйственных машин и т. д.
В настоящее время доказана возможность и экономическая
целесообразность замены ряда деталей, получаемых из стальных литых и кованых
заготовок, чугунными отливками с шаровидным графитом ( 17).
Чугуны марок ВЧ 50-2, ВЧ 60-2 с преобладанием перлита в
структуре металлической основы можно получать как в литом состоянии, так и в
результате термической обработки. Цель термической обработки — разложение
структурно свободного цементита в относительно тонких сечениях отливки
(графитизирующий отжиг) или упрочнение перлитной матрицы (нормализация).
Может быть использована комбинированная термическая обработка, преследующая
разложение структурно свободного цементита с последующей нормализацией
(графитизирующей нормализацией).
Чугуны ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5 с преобладанием феррита
в структуре металлической основы получают графитизирующим отжигом для
разложения структурно свободного и эвтектоидного цементита.
В отличие от чугуна с пластинчатым графитом, механические
свойства чугуна с шаровидным графитом в большей степени определяются
металлической основой и в меньшей — количеством, размерами и распределением
графитовых включений. Поэтому ряд режимов термической обработки, используемых
для повышения механических свойств стали, оказывается эффективным также и для
высокопрочного чугуна. В производственных условиях получают перлитные чугуны
с пределом прочности до 1177 МПа и ферритные чугуны с относительным
удлинением до 17 %.
Основной операцией технологического процесса получения
высокопрочного чугуна является введение магния в жидкий чугун. Магний —
легкий металл, плотность которого 1,738- Ю-3 кг/м3; температуры плавления и
кипения соответственно 651 °С и 1107 °С. На воздухе магний легко
воспламеняется. Введение чистого магния в жидкий чугун при атмосферном давлении
сопровождается интенсивным выделением дыма, выплесками металла и пироэф-
фектом, что вызывает необходимость проведения специальных мероприятий и
использования специального оборудования, обеспечивающих высокую
производительность, хорошее усвоение магния в расплаве и безопасность труда
работающих Существующие способы введения магния в чугун можно разделить на
две группы: введение при повышенном давлении; введение при атмосферном
давлении.
Первая группа способов основана на том, что металлический
магний в чистом виде вводится в жидкий чугун, находящийся под повышенным
давлением. Как известно, при увеличении давления температура кипения веществ
повышается. Температура кипения магния повышается от 1107 °С (при атмосферном
давлении) до 1350 °С (при 0,6 МПа). В ковше чугун перегрет обычно до 1300—
1350 °С, и примерно до этой же температуры нагревают магний. Следовательно,
если давление над поверхностью жидкого металла 0,5—0,6 МПа, то магний будет
растворяться в чугуне.
В камере ( 81) для модифицирования чугуна магнием
(автоклаве) под давлением в ковшах емкостью до 15 т процесс проводится
следующим образом. К рычагу 2 крепят контейнер 1 с заданной дозой магния.
Устанавливают ковш 3 с чугуном и закрывают крышкой 4 камеру. Открывают
вентиль в сети сжатого воздуха и давление в камере доводят до 0,6 МПа, после
чего в ковш вводят контейнер с магнием. Растворение магния продолжается 6—10
мин. Всеми операциями управляют с пульта. Привод всех механизмов
электрогидравлический.
Для ввода магния в чугун, находящийся под давлением,
используют также специальные герметизированные ковши барабанного или
конвертерного типа ( 82). Операция идет в такой последовательности. В
зарядную камеру 1 закладывают необходимое количество магния и камеру
закрывают крышкой 2. При положении ковша, показанном на 82, он заполняется
чугуном, крышка 3 закрывается и прижимается к ковшу затворами 4. Ковш
поворачивается против часовой стрелки на 90°. Зарядная камера в пространстве
над уровнем металла. Когда давление достигнет 0,3—0,5 МПа, кипение полностью
прекращается, и оставшаяся часть магния растворяется. Продолжительность
операции в ковше емкостью 10 т 3—4 мин.
При использовании способов второй группы магний в составе
лигатур или в виде механических смесей (брикеты Mg—FeSi, кокс, пропитанный
магнием, и др.) вводится в жидкий чугун при заполнении ковша или формы.
Наиболее часто используют Ni— Mg—Се-лигатуры (15 % Mg, 5 % Се) и Fe—Si—
Mg-лигатуры (50—60 % Si, 3—10 % Mg), большинство из которых содержит немного
Са, Се, Ва и другие элементы, обеспечивающие рафинирование и десульфурацию
металла.
Тяжелые Ni—Mg-лигатуры, плотность которых больше плотности
жидкого чугуна, можно закладывать в ковш в виде кусков перед его заполнением
металлом. Для обработки чугуна легкими лигатурами на основе кремния
наибольшее распространение нашел «сэндвич — процесс», при котором лигатура
загружается в специальную полость, образованную в футеровке днища ковша, и
прикрывается стальной высеч- i 2 J *
кой. Другим способом, обеспечивающим меньший расход
лигатуры, является заливка чугуна в ковш с лигатурой, помещенной в кармане,
образованном разделением дна ковша перегородкой на две неравные части. Сверху
лигатура прикрывается слоем дробленого карбида кальция. Если ковш закрыть
специальной сменной крышкой, то обработка металла будет происходить без
пироэффекта, дымовыделения и выбросов расплава даже при использовании лигатур
с повышенным содержанием магния.
Улучшить растворение магниевых лигатур можно
перемешиванием расплава в ковше механическим способом или продувкой инертным
газом.
Весьма эффективным методом, обеспечивающим максимальное
усвоение магния при минимальном расходе лигатуры, является модифицирование
чугуна непосредственно в полости литейной формы ( 83). Мелкодробленую
лигатуру помещают в специальную реакционную камеру литниковой системы. При
применении этого метода необходимо обеспечить правильный расчет элементов
литниковой системы, однородность состава лигатуры и низкое содержание серы в
базовом чугуне.
Обрабатывать чугун магнием непосредственно в процессе
заливки формы можно также путем дозированного введения в струю жидкого
металла у литниковой чаши проволоки, содержащей прессованный порошок из
сплава Fe—Si—Mg. Устройство для подачи проволоки в зону контакта с расплавом
обеспечивает автоматическое регулирование количества растворенной лигатуры в
зависимости от скорости заливки.
При сравнительной оценке различных способов введения
магния в чугун наиболее важно учесть максимальный коэффициент усвоения
модификатора rj = = (Mgycn Мбмод)4100 %, где Мёмод — введенный магний; MgyCB
— магний, усвоенный чугуном Преимущество имеют способы введения магния под
давлением, обеспечивающие возрастание коэффициента усвоения в 2—3 раза.
Часть усвоенного чугуном магния, взаимодействуя с серой,
кислородом и азотом чугуна, образует устойчивые и не растворяющиеся в чугуне
соединения: сульфиды (MgS), оксиды (MgO), нитриды (Mg3N2); остальная часть
усвоенного магния растворяется в чугуне (Mg0CT)- MgyCB = Mg0ct + сульф +
Mg0Knc + + Мбнитр С учетом коэффициента усвоения количество магния, которое
должно быть введено с модификатором,
Мёмод = (Mg0CT + Мбсульф + Mgowc + %нитр)/П-
Формулу можно упростить, если пренебречь значениями
Mg0KIIC и MgHHTp как очень малыми и если учесть, что минимальное количество
магния, при котором проявляется его модифицирующее действие, 0,04 % (Mg0CT =
0,04 %):
MgMcm = [0,04 + 0,76 (S„cx - 0,02) ]/т|,
где 0,76 — соотношение атомных масс Mg и S; SHCX —
содержание серы в чугуне до его модифицирования; 0,02—содержание серы после
модифицирования чугуна.
Магний является карбидообразующим элементом, и для
предотвращения отбела после сфероидизирующей обработки проводят вторичное
графитизирующее модифицирование в ковше или форме. Количество модификатора
обычно составляет 0,3—1 % в зависимости от химического состава чугуна и
толщины стенки отливки. Такое модифицирование не проводят, если отливки подвергаются
графитизирующему отжигу.
Учитывая, что шаровидный графит не оказывает такого
сильного влияния на механические свойства, как пластинчатый, содержание
углерода обычно поддерживается на достаточно высоком уровне (3,2—3,8 %), что
повышает литейные свойства чугуна и снижает его склонность к отбелу.
Содержание кремния 2—3 % выбирают с целью предотвращения
отбела, а также для регулирования структуры металлической матрицы. Вследствие
отрицательного влияния кремния на ударную вязкость и для снижения порога хладноломкости
рекомендуется, чтобы его содержание не превышало 2,1—2,4 %. В чугунах с
ферритной матрицей по этой же причине содержание марганца и фосфора должно
быть возможно низким.
Низкий уровень серы в базовом чугуне (менее 0,02 %)
является одним из основных условий эффективности сфероидизирующей обработки.
Высокое содержание серы обусловливает увеличенный расход модификатора и
приводит к снижению механических свойств чугуна вследствие образования
неметаллических включений. При повышенном содержании серы в чугуне перед
введением магния необходимо проводить внепечную десульфурацию.
Высокопрочный чугун используют и как материал со
специальными свойствами. Применение его для изложниц мелких и средних
стальных слитков позволяет повысить их стойкость в 2—2,5 раза по сравнению с
изложницами из обычного серого чугуна.
Весьма перспективным является использование высокопрочного
чугуна с аустенитной структурой. В основном изучены высоколегированные чугуны
(Ni—Сг—Си), аналогичные чугуну «нире- зист». По коррозионной стойкости,
жаростойкости и ростоустой- чивости чугуны с шаровидным графитом превосходят
аустенитные чугуны с пластинчатым графитом.
|