Для деталей з сірого чавуну характерні мала чутливість до впливу зовнішніх концентратів напруги при циклічних навантаженнях, високий коефіцієнт поглинання коливань при вібраціях (в 2-4 рази вище, ніж у сталі), високі антифрикційні властивості (завдяки наявності графіту). Але, щоб забезпечити ці властивості, чавун повинен мати певну ливарну структуру. Один з ефективних способів поліпшення структури - зміна.
Модифікування - введення в розплав речовин (модифікаторів), невелика кількість яких істотно впливає на процес кристалізації і, відповідно, змінює структуру і властивості металу або сплаву. При легуванні в основний метал також вводяться компоненти для підвищення механічних, фізичних і хімічних властивостей основного металу. Відмінність легування і модифікування полягає в тому, що легуючі елементи можуть вводитися як в шихту, так і в розплав, модифікатори вводяться тільки в розплав і їх активна дія короткочасно (15-20 хвилин). І, крім того, леговані метали і сплави зберігають свої властивості при наступних переплавити, а ефект від модифікації після переплавки не зберігається.
Однак в даний час з усіх відомих прийомів поліпшення якості металу модифікування вважається одним з найбільш ефективних. За способом впливу на процес кристалізації чавуну розрізняють 2 групи модифікаторів. Одна група впливає на умови росту графіту і сприяє його кристалізації у вигляді компактних або кулястих включень. Інша група змінює ступінь графітизації (модифікування сприяє більш рівномірному охолоджуванню, завдяки чому забезпечується отримання однорідної структури з мелкопластінчатим графітом в перетинах виливка).
У порівнянні зі звичайним чавуном модифікований чавун такого ж хімічного складу в меншій мірі схильний до утворення тріщин (відбілюванню). Саме на цьому грунтується використання модифікаторів для отримання чавунів з високими механічними властивостями.
Модифікатори сірого чавуну
Основним модифікатором сірого чавуну є феросиліцій ФС75 (75% -ний феросиліцій), ефективність якого значно посилюється при вмісті в ньому Al і Са.
Для модифікування феросиліцій в размолотом вигляді (фракції 2-10 мм) вводять в розливний або роздатковий ківш під струмінь металу при температурі 1340-1400 ° С в кількості 0,1-0,5% маси рідкого металу. Також його можна додавати в форму або подавати безпосередньо в момент роздачі чавуну по ковшів. Крім того, модифікатор можна розмістити в одному з елементів ливникової системи форми або використовувати дріт з пресованого порошкового модифікатора, яка із заданою швидкістю вводиться в струмінь металу у літніковай чаші форми.
Але, який би спосіб не застосовувався, завжди необхідно упевниться в тому, що модифікатор повністю розчинився і ретельно перемішався з розплавом чавуну.
Модифікує ефект феросиліцію зберігається не більше 15 хв. Феросиліцій ФС75 доцільно застосовувати для модифікування чавунів з низьким вуглецевим еквівалентом, а також при литті тонкостінних виливків.
Масова частка алюмінію в промисловому ФС75 становить 1,5-2,5%, кальцію - 0,6-1,3%. Модифікуючу дію феросиліцію пов'язують з наявністю в ньому кальцію і алюмінію, які активно взаємодіють з киснем і азотом розплаву, утворюючи тугоплавкі сполуки. Крім того, в розплаві утворюються локальні мікрооб'єми, збагачені графітом. Але, в промислових чавунах (особливо електропічний виплавки) може відбуватися активна взаємодія алюмінію з іншими речовинами, зокрема з вологою, сконденсованої на стінках ливарної форми. Утворений при цьому водень і оксид вуглецю поглинаються розплавом і при затвердінні викликають появу підкіркових раковин.
Крім того, для сірого чавуну в якості графітізірующего модифікатора використовується феросиліцій ФС75Л (74-80 Si), а також комплексні сплави на основі кремнію, що містять Ca, Mg, Sr (стронцій), Zr (цирконій), Ba (барій), РЗМ ( рідкоземельні метали), Mn (манган), а також модифікують суміші, що складаються з силикокальция, графіту, феросиліцію та інших компонентів. Цей модифікатор у вигляді гранул розміром 1-5 мм вводять в струмінь чавуну при зливі з печі в ківш. Для конкретних умов виробництва встановлюють оптимальний інтервал часу від моменту заповнення ковша до заливки форм, так як дія модифікатора розраховане на певний час.
Наприклад, при виготовленні деталі «Корпус» з сірого чавуну марки СЧ 20 (ГОСТ 1412-88) феросиліцій додають в ківш перед зливом металу з індукційного печі. Модифікатор поміщають на саме дно ковша, що дозволяє йому повністю розчинитися в сплаві і не вигоріти. В даному випадку феросиліцій має велику фракцію. При цьому температура розливання чавуну в ківш становить 1450 ° С.
Стронційсодержащій феросиліцій ФССт2 більшою мірою, ніж ФС75, знижує і стабілізує твердість заготовок.
Оптимальна температура модифікування чавуну силікокальцієм дорівнює 1400-1450 ° С. При цьому кількість присадки становить 0,3 - 0,5% маси рідкого металу. Для поліпшення засвоєння силикокальций доцільно вводити в суміші з плавиковий шпат в співвідношенні 1: 1. Добавка плавиковогошпату перешкоджає отшлакованію модифікатора, підвищує активність взаємодії кальцію з киснем і сіркою і сприяє видаленню утворюються при цьому неметалевих включень з розплаву в шлак.
Таблиця 1. Склад силикокальция
Найкращі результати досягаються при введенні добавок в кількості 0,2-0,4% маси рідкого металу. При подальшому збільшенні кількості присадки міцність чавуну зменшується внаслідок появи в структурі фериту.
При виготовленні великих чавунних виливків в серійному і дрібносерійному виробництві, а також при заливці чавуну на автоматичних формувальних лініях необхідно застосування присадок з тривалим (до 30 хв) періодом дії модифицирующего ефекту. З цієї точки зору являє інтерес сілікобарій з високою масовою часткою (30-35%) барію СБ30. Використання, СБ30 дозволяє різко знизити схильність чавуну до відбілити і зберегти модифікує ефект протягом 15-25 хв.
Оптимальна температура модифікування чавуну сілікобаріем знаходиться в межах 1360-1380 ° С. Сілікобарій підвищує однорідність структури і властивостей чавуну в різних перетинах виливка (в тонких перетинах виливка зникає точковий графіт, міцність чавуну зростає).
Ще одним поширеним модифікатором є церій, який вводять в метал у вигляді металевого церію, сплаву мишметалла, Фероцерій та інші ФЦМ-5.
Металевий церій містить 97% церію при загальному змісті рідкоземельних елементів 98,5%. Церій має порівняно низьку температуру плавлення (725 ° С). При низьких температурах добре розчиняє гази і легко окислюється на повітрі, тому церій можна зберегти тільки в повітронепроникних судинах.
Мішметалл - сплав елементів церієвої групи, отриманий методом електролізу з розплаву хлоридів, містить 40-60% Се (церій), 13-25% La (лантан), 15-17% Nd (НІОД), 8-10% інших рідкоземельних елементів і до 2% Fe.
Фероцерій - сплав рідкоземельних елементів церієвої групи з залізом. Його отримують як і мішметалл методом електролізу з розплаву хлоридів. У Фероцерій міститься 15% Fe, 40-55% Се, решта - рідкоземельні елементи.
Сплав ФЦМ-5 - сплав РЗМ з магнієм, одержуваний електролізом. У ньому міститься 40-50% Се, до 1% Fe, 3,6-7,5% Mg, решта - елементи церієвої групи.
Церій, володіючи великим хімічним спорідненістю до кисню і сірки, активно розкислює рідкий чавун, утворюючи тугоплавкі сполуки. Слід зазначити, що застосування Фероцерій як модифікатора ефективно при його введенні в розплав при температурі вище 1450 ° С. Присадка Фероцерій в кількості до 0,1% ефективно усувають отбел чавуну (0,08-0,12% S).
Вуглевмісні модифікатори застосовується спільно з феросиліцію в кількості 0,01-0,05% з метою поліпшення розподілу графіту, але, внаслідок порівняно невеликій щільності, вони погано засвоюються рідким чавуном. Найбільш ефективні результати отримані при використанні углевмістких присадок для модифікування чавуну, виплавленого в електропечах і піддається тривалій витримці. При тривалій витримці розплав має підвищену схильність до відбілити і в даному випадку модифікування є необхідною технологічною операцією. Графіт, як присадка, вимагає більш тривалого періоду для активізації, тому його доцільно вводити в розплав за кілька хвилин (5-10) до введення інших модифікаторів.
ефективність модифікування
Ефективність модифікування пов'язана з рядом технологічних факторів: температурою введення присадок, їх гранулометричним складом, часом і місцем введення модифікаторів.
Всі ці параметри підбираються залежно від завдань, які необхідно вирішити за допомогою модифікування.
Таблиця 2. Ефективність модифікаторів сірого чавуну (в порядку зменшення впливу)
В цілому, при використанні феросиліцію, Фероцерій і його суміші з феросиліцію, підвищення температури введення присадок від 1420 до 1450 ° С сприяє посиленню модифицирующего ефекту, хоча тривалість дії модифікатора скорочується.
Модифікування чавуну при температурі 1380-1420 ° С забезпечує, як правило, найбільш стабільні результати і високі показники якості чавунних виливків. Доречно додати, що температура плавлення найбільш поширених модифікують присадок, таких як феросиліцій, мішметалл, не перевищує 1350 ° С.
Ефективність модифікування чавуну істотно залежить також і від розміру часток феросплавів.
У виробничій практиці зустрічається спосіб «пізнього» модифікування, який використовують з метою усунення впливу фактора часу на ефективність обробки чавуну. Цей спосіб набув широкого поширення для автоматизованих установок з індукційним обігрівом для заливки чавуну на конвеєрах і формувальних лініях. В даному випадку максимальний ефект досягається застосуванням дрібнозернистих фракцій модифікатора (0,3-2 мм). При цьому використовуються різні сорти феросиліцію ФС75, причому масова частка фракцій 0,3-0,5 мм в присадці повинна становити не менше 15-20%.
Наявність великих фракцій (понад 2,0 мм) при «пізньому» модифицировании не допускається, т. К. В виливках можливе утворення твердих часток модифікатора. Оптимальна масова частка присадки феросиліцію ФС75 при введенні його в форму або в литниковую чашу становить 0,05-0,1% металоємності форми, для інших способів «пізнього» модифікування вона дорівнює 0,1-0,2%. При «пізньому» модифицировании доцільно використовувати феросиліцій ФС75, що містять активні присадки стронцію і РЗМ.
Модифікування - визнаний спосіб підвищення якості чавунних виливків, який надає вам можливості повністю запобігти утворенню отбела, газової або усадочною пористості, або звести їх до мінімуму. Але, слід пам'ятати, що гарантом отримання якісного литва і поліпшення структури чавуну є правильний підбір модифікаторів і режимів модифікування.