CC BY
102
Vasilyev Andrey Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, va-erofeev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
Sudnik Vladislav Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, w. sudnik@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.74.670
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ
А.И. Вальтер, Р.Н. Зенкин
Проведен анализ факторов, определяющих расширение производства и замены на высокопрочные чугуны с шаровидным графитом отливок широкой машиностроительной номенклатуры. Содержание углерода в исходном металле влияет на степень загрязнения чугуна неметаллическими включениями, образовавшимися при введении сфероидизирующих модификаторов. Для получения высокопрочного чугуна, наиболее очищенного от неметаллических включений, в исходном металле содержание углерода должно быть не менее 3,5 %
Ключевые слова: высокопрочный чугун, чугун с шаровидным графитом, сфе-роидизирущий модификатор, глобуляризатор металлического магния, ковшовое модифицирование.
Большие перспективы в повышении прочности и эксплуатационной надежности литых деталей появились с внедрением в производство отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным (ВЧШГ) и вермикулярным (ВЧВГ) графитом. Поэтому для оценки качества чугуна критериями являются не только прочность его при растяжении, но и относительное удлинение, ударная вязкость, усталостная прочность, высокий модуль упругости и др.
По способности выдерживать высокие механические нагрузки при наименьших деформациях и массе высокопрочный чугун значительно превосходит сталь, ковкий и серый чугуны. В результате использования этих отличий масса литых деталей из ВЧШГ может быть на 7...12 % ниже по сравнению со сталью и ковким чугуном и на 12.18 % меньше по сравнению со стальными поковками и штамповками.
141
Этот конструкционный материал широко используется в транспортном машиностроении, где из ВЧШГ могут изготавливаться и уже изготавливаются детали трансмиссии; редукторы, рычаги, корпуса подшипников, опоры и многие другие детали.
Хорошо известно, что процесс литейного производства тесно связан с изменением структуры применяемых конструкционных материалов. Особенное внимание следует уделять высокопрочным и высокопластичным чугунам с шаровидным и вермикулярным графитом.
Между тем, несмотря на технические, экологические и экономические достоинства ВЧШГ, объем его производства не имеет эффективного роста. Причинами этого являются:
необеспеченность шихтовыми материалами с минимальным содержанием неметаллических включений, серы, фосфора и минимальными примесями ряда цветных металлов;
чрезвычайно высокая цена сфероидизирущих модификаторов и лигатур на основе магния, РЗМ и ферросилиция;
недостаточность современного и экономичного электроплавильного оборудования;
отсутствие компетентных инженерных кадров.
На сегодняшний день основу шихты для получения высокопрочного чугуна составляют доменные передельные чугуны, стальной лом, количество которого недостаточно, а качество и химический состав не предсказуемы.
На основе проведенных экспериментальных исследований установлено, что металлизированные окатыши в чугунолитейном производстве могут быть использованы в качестве чистой по примесям железосодержащей составляющей шихты, однако для этого надо применить технологическую их подготовку, т.е. загружать в плавку в виде шихтового композита состава 10.20 % окатышей, залитых 80.90 % по массе чугуном.
Металлизированное сырье представляет собой продукт, получаемый в результате восстановления (металлизации) железной руды или окатышей. На сегодняшний день ведущим производителем данного материала в России является Оскольский электрометаллургический комбинат. Продукция комбината характеризуются высокой степенью металлизации (90 % и более), содержанием углерода в пределах 1,2.2,0 %, низким содержанием нежелательных примесей (менее 0,01 % Б, 0,02 Р) и небольшим количеством пустой породы (менее 5,5 %).
Однако металлизированное сырье при хранении и транспортировке склонно к интенсивному окислению вплоть до возгорания, при этом теряется качество продукции. Мерой по защите от окисления железа может
быть технология консервирования, при которой металлизированные окатыши предварительно обливаются жидким чугуном. В результате получается новый композиционный шихтовый материал, не содержащий нежелательных примесей, позволяющий сохранить железо в окатышах, транспортировать и хранить его при любых условиях.
Известно, что производство ВЧШГ может быть экономически выгодным только при использовании в качестве глобуляризатора металлического магния, поэтому именно под этот процесс следует разрабатывать новые технологические способы.
Известен технологический процесс изготовления ВЧШГ в ковше путем ввода магния в «колокольчике» с размещенным в нем куском магния, покрытым с поверхности огнеупорной оболочкой, а для контакта магния с расплавом чугуна один угол обмазки не имеет [1]. В верхней части «колокольчика» для ввода магния выполнено отверстие для выхода паров магния в жидкий чугун. Реакция взаимодействия магния с жидким чугуном начинается с любого незащищенного огнеупором участка куска магния. «Колокольчик» опускается на штанге, при этом одновременно тигель печи или ковш закрывается крышкой. Продолжительность реакции растворения магния в тигле печи (ковше) 15.20 с, а полный цикл ввода и извлечения «колокольчика» около 1 мин. После этого необходима выдержка расплава в течение 2.3 минут.
Установлено, что одним из основных факторов качества отливок из ВЧШГ является содержание углерода в исходном чугуне. Однако этому фактору до сих пор не придавалось должного значения, т.е. нет четкого разграничения содержания количества углерода в исходном металле и в полученном ВЧШГ.
Проведенными исследованиями на кафедре СЛиТКМ ТулГУ установлено, что в результате введения сфероидизирующего модификатора (магния) в жидкий чугун еще до начала затвердевания в нем кристаллизуется шаровидный графит, который при определенных условиях всплывает на поверхность. Чем больше углерода в исходном чугуне, тем большая доля его выделяется из расплава. Таким образом, независимо от количества углерода в исходном металле при наиболее благоприятных условиях выделения из расплава кристаллов графита, образовавшегося в нем в результате введения магния, в полученном ВЧШГ его доля составляет 2,6.2,8 % С.
Содержание углерода в исходном металле влияет на степень загрязнения ВЧШГ неметаллическими включениями, образовавшимися при введении сфероидизирующих модификаторов. При использовании исходного чугуна до эвтектического состава (< 3,0 % С) неметаллические вклю-
чения находятся в виде хаотичных скоплений во всем объеме даже крупных и средних отливок. При ковшевом модифицировании в исходном чугуне заэвтектического состава все включения, в том числе и образовавшийся в жидком металле графит всплывают на поверхность металла в ковше. Для получения ВЧШГ, наиболее очищенного от неметаллических включений, в исходном металле содержание углерода должно быть не менее 3,5 %.
Данный способ обработки металла можно считать первым этапом процесса модифицирования, главная цель которого - снижение содержания серы и обеспечение максимального количества усвоения магния.
Следующий этап - внутриформенное модифицирование - представляет собой «финишный» процесс. Модифицирование осуществляется лигатурами с низким процентом содержания магния, а их общий расход снижается на 80.90 %, в результате чего повышается выход годного, т.к. уменьшается объем модифицирующей камеры. Доза модификатора в количестве 10.20 % завершает процесс глобуляризации. Затем после обработки лигатурой металл проходит по каналам литниково-питающей системы в форму через стеклофильтр, который улавливает остатки неметаллических примесей в металле [2].
В результате проведения двустадийного процесса обработки себестоимость чугуна снижается за счет сокращения общего количества дорогостоящих лигатур.
Для объяснения эффекта модифицирования разработано несколько теорий, включая теорию образования карбида кремния, солеобразных карбидов и сульфидов/карбидов («карбидный эффект»). Все они основаны на предположении о том, что в смешанном гетерогенно-гомогенном механизме зарождения графитной фазы в чугуне превалирующую роль играет именно гетерогенная графитизация на продуктах реакции примесей с Са, А1, 7г, Бг, Ва, М^, РЗМ (редкоземельные металлы). Максимальный эффект модифицирования проявляется непосредственно после введения модификатора.
Продолжительность действия модификатора зависит от его состава и, как правило, очень мала, в результате чего эффективность модифицирования со временем значительно снижается. Вследствие малой продолжительности действия модификатора степень переохлаждения в процессе эвтектической кристаллизации возрастает из-за повышения температуры ликвидуса, что способствует появлению отбела во всех типах чугунов (СЧПГ, ЧВГ, ВЧШГ). При этом особенно снижается количество шаровидного и вермикулярного графита, ухудшается его форма, что приводит к снижению механических свойств получаемых отливок.
В настоящее время до сих пор отсутствует чёткое понимание реальных процессов, влияющих на результаты модифицирования; сформулированы лишь общие положения, учитывающие действия отдельных механизмов и не являющиеся практическим руководством к действию. Ни одна теоретическая модель не позволяет подобрать наиболее эффективный модификатор, что требует проведения многочисленных экспериментов. Основная сложность на пути получения заданной структуры чугуна путём модифицирования и микролегирования заключается в том, что в существующих теориях, как правило, не учитывается комбинированное действие различных технологических параметров на формирование структуры. Именно поэтому одним из наиболее актуальных направлений изучения вклада технологий модифицирования и микролегирования чугунов в формирование их структуры и свойств является разработка общих подходов к обеспечению необходимой структуры чугунов на основе учёта комбинированного воздействия различных технологических параметров на процессы структурообразования при модифицировании и микролегировании чугу-нов.
Были разработаны универсальные технологические схемы получения высокопрочного чугуна в зависимости от содержания серы и габаритов получаемых отливок с использованием ковшевого и внутриформенно-го модифицирования.
Предложены технологии графитизирующего модифицирования ВЧШГ (высоких марок свыше ВЧ70) смесевыми комплексными модификаторами нового поколения. Для различных видов чугуна технология может состоять из двух этапов: предварительное графитизирующее модифицирование в ковше и последующее графитизирующее модифицирование в стояке формы; или, например, для ВЧШГ технология включает только проведение поздней графитизирующей обработки чугуна в стояке формы.
Таким образом, для решения задачи увеличения объема производства отливок из высокопрочиых чугунов необходима разработка эффективных ресурсосберегающих технологий их получения, реализация которых возможна в различных условиях действующих производств.
Список литературы
1. Цвеленьев Б.В., Шелягович А.В. Ресурсосберегающие технологии в угунолитейном производстве // Известия ТулГУ. Металлургия, экология, физика. Тула, 2002. Вып. 2.
2. Сидоренко Р.А. Некоторые аспекты производства чугунов с шаровидным графитом // Литейное пр-во. 2002. №2 6. С. 8 - 9.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зенкин Руслан Николаевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
PRODUCTION OF CASTINGS MADE OF DUCTILE CAST IRON WITH THE USE OF
METALLIZED PELLETS
A.I. Walter, R.N. Zenkin
The analysis of the determinants of the expansion of production and the replacement of the high-strength cast iron with Nodular graphite iron castings general mechanical engineering items was made. The carbon content in the source metal affects the degree of non-metallic inclusions in cast iron, emerged with the introduction of sferoidizir^sih modifiers. To obtain high-strength cast iron, the most refined of nonmetallic inclusions, the original metal carbon content shall not be less than 3.5 %.
Key words: high-strength cast iron, cast iron, nodular cast iron, sferoidizirusij, modifier, globularizator kovsovoe, modification of magnesium metal.
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter. alex@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zenkin Ruslan Nikolaevich, postgraduate, valter. alex@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
