Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом

Требования к жидкому чугуну.

Отливки, используемые в совре­менном машиностроении, должны обладать стабильно высокими механическими свойствами.

Так, например, в автомобилестроении в основном использу­ются отливки серого чугуна, временное сопротивление при рас­тяжении которого σ_Β = 200...300 МПа и твердость НВ 190...240. Для значительной части ответственных автомобильных отливок технические условия предусматривают преимущественно перлит­ную структуру с максимальным содержанием феррита до 5 %. Меха­нические условия определяют также характер и размеры включе­ний пластинчатого графита.

Получение высококачественного чугуна связано с применени­ем внепечной обработки расплава — модифицирования. Однако для эффективного модифицирования выплавленный чугун должен удовлетворять определенным требованиям.

Как известно, для получения чугуна с высокими прочностью и твердостью необходимо выплавить металл с пониженным со­держанием углерода и кремния при некотором повышении со­держания марганца. Для получения чугунов марок СЧ40 и СЧ45 необходимо, кроме того, снизить содержание серы и фосфора.

На первый взгляд пониженное содержание углерода и крем­ния упрощает задачи плавки, так как для этого требуется меньше дорогостоящего ферросилиция, существенно уменьшается время на науглероживание металла. В этой связи существует присущий только плавке серого чугуна парадокс — чем выше марка чугуна, тем дешевле шихта для его выплавки.

Однако на практике получение отливок серого чугуна высо­ких марок сопряжено с опасностью получения отбела. Это объяс­няется тем, что структура таких отливок должна быть по пре­имуществу перлитная, на грани отбела. Поэтому даже небольшие отклонения в минус по содержанию углерода и кремния, свя­занные, например, с неточностью дозирования шихты или на­рушениями принятого режима плавки и модифицирования, при­водят к получению половинчатого или белого чугуна. Этот вид брака неизбежно вскрывается в процессе механической обработ­ки и никогда, в отличие от других видов брака, не остается неза­меченным. Очевиден в данном случае и виновник брака — пла­вильное отделение.

Из этих рассуждений следует важнейшее требование к жидкому металлу при получении отливок высококачественного серого чу­гуна — стабильность химического состава.

Кроме того, пониженный углеродный эквивалент приводит к понижению жидкотекучести и требует повышенной температуры заливки.

Содержание вредных примесей — серы и фосфора, допусти­мое для чугунов вплоть до СЧ35, составляет соответственно 0,12 и 0,3 %. Оно обеспечивается при плавке на обычной шихте в печах с кислой футеровкой. Для получения СЧ40 и СЧ45, содержащих серы и фосфора не более 0,02 % каждого, необходимы специальные приемы плавки и внепечной обработки.

Поэтому для получения серого чугуна высокого качества необ­ходимо:

о использовать шихту стабильного состава и обеспечить точ­ность дозирования ее компонентов;

• обеспечить оптимальные уровни перегрева и продолжитель­ности выдержки в условиях применения электроплавильных агре­гатов;

• обеспечить надежность контроля процесса плавки на всех его этапах и возможность оперативного воздействия на него;

• использовать внепечную обработку.

Технология модифицирования.

Модифицирование являет­ся наиболее простым, эффективным и, поэтому, самым распрос­траненным способом повышения прочностных свойств чугуна.

В качестве модификатора при производстве отливок серого чу­гуна чаще всего используют ферросилиций ФС75, обладающий одновременно раскисляющей и графитизирующей способностя­ми. За счет его свойств можно получить мелкозернистую структу­ру отливки, снизить отбел и повысить механические свойства металла. Количество модификатора зависит от различных произ­водственных условий и увеличивается от 0,2...0,4 % для СЧ25 до 1,5...2% для СЧ45.

Обычно модификатор вводят в ковш под струю металла, на желоб, в литниковую чашу или в форму. Размер зерен модифика­тора составляет 2...5 мм при обработке жидкого металла массой до 2 τ и 5... 15 мм при обработке больших количеств.

В зависимости от способа ввода модификатора может усваи­ваться 70...90% (кремния).

Перед употреблением модификатор прокаливают при 300... 400 °С в течение 1...2 ч. Пылевидные фракции размером менее 0,5 мм отсеивают.

Температура металла при выпуске из печи составляет обычно 1420... 1460°С, она должна быть тем большей, чем выше марка чугуна. После ввода модификатора металл целесообразно переме­шать для равномерного распределения его в объеме ковша. Во из­бежание потери эффекта модифицирования выдержка чугуна после добавки модификатора не должна превышать его живучести. Эта величина для ферросилиция ФС75 в зависимости от емкости ков­ша составляет:

Масса металла в ковше, τ...........До 0,5     0,5...2      2... 10

Допустимая выдержка, мин........ 3...5       5...8       8...10

В настоящее время для получения высококачественного серого чугуна применяются разнообразные модификаторы и способы их ввода. Эффективность их применения в большой степени зависит от разнообразных условий производства, поэтому имеющиеся дан­ные позволяют лишь отметить наиболее характерные особенности различных модификаторов, не давая оснований для сравнитель­ной оценки эффективности их использования.

Силикокальций может использоваться самостоятельно в количестве 0,3 ...0,6 % от массы жидкого чугуна, а также в смеси с ферросилицием ФС75 в соотношении 1:1 или с ФС75 и графитом в зернах.

Алюминий в смеси с ферросилицием или с графитом эф­фективно предотвращает отбел чугуна.

Графит черный — наиболее простой и дешевый модифика­тор, предотвращающий отбел на тонкостенных отливках.

Силикобарий является комплексным модификатором с по­вышенной живучестью.

Важно отметить, что для достижения максимального эффекта модифицирования исходный чугун должен иметь пониженный углеродный эквивалент и при затвердевании без модифицирова­ния образовывать структуру белого или половинчатого чугуна. Модификатор вводится в таком количестве, что углеродный эк­вивалент модифицированного чугуна оказывается равным его ве­личине в немодифицированном чугуне, имеющем структуру на грани отбела для данной толщины стенки отливки.

Жидкое модифицирование.

При производстве крупных толстостенных отливок температура заливки обычно не превы­шает 1250 °С. Введение твердых модификаторов в такой «холод­ный» чугун не дает положительных результатов. В этих случаях ока­зывается эффективным жидкое модифицирование, которое осу­ществляют путем смешивания жидкого чугуна с расплавленным модификатором — расплавленной сталью или жидким чугуном с высоким углеродным эквивалентом. Такая операция не является Простым смешиванием и усреднением химического состава и тем­пературы расплава, при этом происходят процессы, по результа­там аналогичные модифицированию, — структура чугуна измель­чается.

Существенное влияние на результат жидкого модифицирова­ния оказывает продолжительность выдержки полученного метал­ла до его заливки в форму. Модифицирующее воздействие жидко­го модификатора так же, как и при введении твердого модифика­тора, спустя 20 мин исчезает.

Недостатком метода жидкого модифицирования является не­обходимость использования двух одновременно работающих пла­вильных печей.

Кроме модифицирования разработаны многочисленные мето­ды внепечной обработки, из которых для получения высококаче­ственного серого чугуна в настоящее время наибольшее практи­ческое значение имеет обρабоτка чугуна жидкими син­тетическими шлаками с целью снижения содержания серы, фосфора, неметаллических и газовых включений.

Синтетический шлак на основе извести (60...70 %) и плавико­вого шпата (5... 10 %) приготовляют в специальной шлаковой печи, затем сливают в ковш и заливают в него жидкий чугун. При этом происходит эмульгирование мельчайших капель шлака в чугуне и существенно возрастает величина межфазной поверхности металл-шлак. В результате такой обработки содержание серы в чугуне сни­жается на 90 % от первоначального. Этот метод целесообразно ис­пользовать в тех случаях поставок шихты с повышенным содержа­нием серы, которые не носят систематического характера.