Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 208
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0621-5
Артикул: 766582.01.99
Рассматриваются основополагающие, базовые практические и теоретические вопросы модифицирования расплава чугуна. Приводятся сведения по используемым материалам и технологическим способам обработки для получения всех типов чугунов. Для студентов и аспирантов литейных и металловедческих специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам чугунолитейных производств и предприятий.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 669: Металлургия. Металлы и сплавы
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
С. В. Давыдов, Д. А. Болдырев МОДИФИЦИРОВАНИЕ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 620.17+669.131 ББК 34.22 Д13 Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры технологии материалов, надежности, ремонта машин и оборудования Брянской государственной сельскохозяйственной академии В. Я. Коршунов; кандидат технических наук, доцент, и. о. заведующего кафедрой технологии конструкционных материалов и ремонта машин Брянской государственной инженерно-технологической академии В. В. Камынин Давыдов, С. В. Д13 Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов : учебное пособие / С. В. Давыдов, Д. А. Болдырев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 208 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0621-5 Рассматриваются основополагающие, базовые практические и теоретические вопросы модифицирования расплава чугуна. Приводятся сведения по используемым материалам и технологическим способам обработки для получения всех типов чугунов. Для студентов и аспирантов литейных и металловедческих специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам чугунолитейных производств и предприятий. УДК 620.17+669.131 ББК 34.22 ISBN 978-5-9729-0621-5 © Давыдов С. В., Болдырев Д. А., 2021 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 1. Модифицирование графитизированных конструкционных чугунов.......................................5 1.1. Понятие модифицирования и его специфика...............................................5 1.2. Механизмы формирования и роста включений графита.....................................8 1.2.1. Графитообразование в ВЧ...........................9 1.2.2. Графитообразование в СЧ..........................11 1.3. «Старение» модифицирующего эффекта......................12 1.4. Составы графитизирующих модификаторов...................14 1.5. Выбор модификаторов для СЧ и вторичного графитизирующего модифицирования ВЧ..........................16 1.5.1. Алюмосодержащий ферросилиций......................20 1.5.2. Барийкальцийсодержащий ферросилиций..............23 1.5.3. Экономичный барийкальцийсодержащий ферросилиций............................................25 1.5.4. РЗМ-содержащий ферросилиций......................28 1.5.5. Комплекснолегированный ферросилиций..............32 1.5.6. Ферросиликостронций..............................35 1.5.7. Ферросиликостронций с цирконием..................40 1.5.8. Ферросиликокальций с церием и алюминием, активными серой и кислородом............................42 1.5.9. Ферросиликоцирконий с кальцием...................46 1.6. Рекомендуемый химический состав СЧ......................49 Глава 2. Модификаторы для СЧ, ВЧ и ЧВГ.......................51 2.1. Выбор сфероидизирующих модификаторов для ВЧ.............51 2.2. Усвоение магния и изменение расхода модификатора при ковшевом модифицировании ВЧ...............................52 2.3. Общие сведения о ФСМг....................................55 2.4. ЧВГ и модификаторы для его получения....................61 2.5. Магний и сера в ВЧ......................................73 2.6. Изменение содержания магния при выдержке расплава высокопрочного чугуна...............................74 2.7. Рекомендуемый химический состав ВЧ......................77 Глава 3. Технологии модифицирования чугунов..................79 3.1. Способы графитизирующего модифицирования чугунов......79 3.1.1. Ковшевое модифицирование.........................79 3.1.2. Модифицирование в струе..........................80 3.1.3. Модифицирование в литейной форме.................83 3.2. Процессы обработки расплава чугуна магнием............83 3
3.2.1. «Сандвич»-процесс с карманом.......................89 3.2.2. Ковш с крышкой.....................................93 3.2.3. Альтернативные варианты ковша с промежуточной крышкой..................................96 3.2.4. Внутриформенное модифицирование...................102 Глава 4. Литейные дефекты в чугунах............................107 4.1. Основные литейные дефекты в ВЧ........................107 4.2. Ухудшение морфологии ССГ в ВЧ.........................107 4.3. Десульфурация чугунов.................................112 4.4. Водородная пористость в чугунах.......................115 4.5. Алюминий в чугунах....................................117 4.6. Азотная пористость в чугунах..........................120 4.7. Окись-углеродная газовая пористость в СЧ..............122 4.8. Шлаковые включения в СЧ...............................123 4.9. Магнийсодержащие шлаковые включения в ВЧ..............125 4.10. Усадочная пористость.................................127 Глава 5. Сохранение тепла жидкого чугуна.......................134 Глава 6. Отбор проб расплава чугуна............................137 6.1. Сегрегация основных элементов.........................138 6.2. Флотация частиц по закону Стокса......................138 6.3. Пробоотбор: рекомендации и особенности................139 Глава 7. Распределение шлаковых фаз при модифицировании и разливке ВЧ..............................140 Глава 8. Окисление ферросилициевых сплавов при хранении...................................................143 Список литературы..............................................144 Приложение 1. Основные типы современных модификаторов для чугуна и стали...............................145 Приложение 2. Технология управления наноструктурным состоянием железоуглеродистых расплавов...................................156 Приложение 3. О формировании различных форм графита в чугуне..........................................170 Приложение 4. Гипотезы о кристаллизации шаровидного графита............................................188 4
ГЛАВА 1 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ 1.1. Понятие модифицирования и его специфика Модифицирование расплава чугуна обеспечивает повышение однородности, изотропности структуры и повышение механических свойств отливок за счёт увеличения числа центров кристаллизации графита (ЦКГ), обеспечивающих рост пластинчатого графита в сером чугуне (СЧ) или шаровидного графита в высокопрочном чугуне (ВЧ). При этом снижается степень переохлаждения расплава чугуна в процессе эвтектической кристаллизации и, таким образом, минимизируется склонность к образованию свободного цементита (отбела) в структуре чугуна, прежде всего в тонких сечениях отливок. Модификатор (инокулянт, инокулятор) - это материал, вводимый в расплав чугуна непосредственно перед его разливкой по формам для создания ЦКГ, формирующих морфологию графитовых включений и обеспечивающий их рост. Наиболее эффективными модификаторами являются сплавы на основе ферросилиция, микролеги-рованного одним или несколькими активными элементами, такими как кальций, барий, стронций, цирконий, РЗМ. На рис. 1.1 - 1.4 и в табл. 1.1 наглядно продемонстрированы примеры структур СЧ и ВЧ после графитизирующего модифицирования и без него. На рис. 1.4 структура немодифицированного чугуна в отливках (слева) обеднена графитом и содержит большое количество твёрдых, хрупких карбидов железа (цементита РезС). Структура модифицированного СЧ в отливках (справа) характеризуется высокой однородностью распределения включений произвольно ориентированных пластин графита небольшого размера. Главными структурными особенностями модифицированного ВЧ являются большое количество шаровидных включений графита малого размера в феррит-ной/перлитной металлической основе. 5
Рис. 1.1. Графит в ^модифицированном СЧ (х100) Рис. 1.2. Графит в модифицированном СЧ (х100) Рис. 1.3. Графит в ^модифицированном ВЧ (х100) Рис. 1.4. Графит в модифицированном ВЧ (х100) Таблица 1.1 Типичные свойства ^модифицированного и модифицированного высокопрочного чугуна Свойства Обозначе- ^модифицирован- Модифицирован ние ный чугун ный чугун 1 2 3 4 Условный предел СТ0,2 --- 200.400 текуче- сти, МПа 6
Окончание таблицы 1.1 1 2 3 4 Предел прочности СТв < 300 МПа 350.800 на растяжение, МПа Относительное 5 --- 3.30 удлинение, % Твердость НВ >600 140.300 по Бринеллю Число включе- ний шаровидно- го графита шт./мм2 <50 > 150 (в сечении 10 мм) Классификация Ферритная Микроструктура по ASTM Карбидная и/или перлитная Функции модифицирования: • предотвращение образования твердо-хрупкой металлической основы с включениями свободного цементита (отбелом) и формирование заданной однородной структуры в различных сечениях отливки; • стимулирование к выделению свободного графита (графитизации) в процессе эвтектической кристаллизации; • улучшение механической обработки отливок режущим инструментом; • повышение механических свойств чугуна в отливках; • увеличение количества графитных включений в чугуне; • снижение степени ликвации легирующих элементов. При этом некоторые показатели, например, такие как исходное содержание серы в СЧ, температура расплава чугуна или время выдержки модифицированного расплава чугуна («старение» модифицирующего эффекта) напрямую влияют на выбор модификатора. Основные технологические параметры модификаторов: • интенсивность реакции; • скорость растворения; 7
• содержание шлакообразующих элементов; • модифицирующий эффект; • рассев. Размер фракции модификатора влияет на его насыпной объём и скорость растворения. Количество пылевидной фракции должно быть минимальным для предотвращения возникновения литейных дефектов в виде нерастворенных частиц модификатора. 1.2. Механизмы формирования и роста включений графита Знание о строении жидкого состояния чугунов и других промышленных сплавов является определяющим фактором в развитии современных технологических процессов обработки сплавов. Жидкий чугун относится к открытым термодинамическим системам и знание о его структуре чрезвычайно важно для целенаправленного управления всем комплексов свойств конструкционных чугунов, а также для разработки эффективных методов модифицирования. В целом, из всего известного многообразия структурных моделей жидкого чугуна можно выделить три модели, ставшие классическими: 1. «Коллоидная» теория, согласно которой в жидком чугуне содержатся микрочастицы кристаллического графита, как результат диспергирования структурно-свободного графита жидким расплавом чугуна на основе проявления эффекта Ребиндера. 2. «Карбидная» теория, согласно которой в жидком чугуне присутствуют железоуглеродистые группировки карбидного типа. 3. «Полимеризационная» теория определяет структуру жидкого чугуна как субмикрогетерогенную, на основе ареновых комплексов, образующих в результате поэтапной полимеризации углерода иерархические структуры. Наиболее важными процессами структурообразования в чугунах являются процессы зарождения и роста графитной фазы и в каждой теории, с учётом различных движущих сил, разработана своя модель, формулирующая и описывающая механизмы формирования и роста графитных включений в процессе кристаллизации расплава чугуна. 8
Указанные теории по своей сути являются «гетерогенными» и основаны на предположении, что формирование и рост ЦКГ в процессе кристаллизации расплава чугуна протекает на неметаллических включениях (подложках) различной природы. Следовательно, для управления процессами структурообразования, и в частности, графи-тообразования, в жидкий чугун перед его кристаллизацией необходимо вводить дополнительные неметаллические включения в виде различных типов модификаторов и лигатур (см. приложение 1 и приложение 2). 1.2.1. Графитообразование в ВЧ В обработанном магнием расплаве чугуна первичными реакционными продуктами являются включения малых размеров (микрочастицы) из магния, кальция, серы, кремния и кислорода, состоящие из сульфидной сердцевины (ядра) и многогранной силикатной оболочки. Сульфидное ядро включения содержит сульфиды MgS и CaS, а внешняя оболочка состоит из комплексных магниевых силикатов (MgSiOs, Mg2SiO4). Образовавшиеся включения не являются потенциальными ЦКГ в процессе кристаллизации расплава чугуна из-за наличия существенного энергетического барьера на границе «неметаллическое включение - графит». После вторичного графитизирующего модифицирования расплава чугуна Са-содержащим ферросилицием, на поверхности существующих сульфидно-оксидных включений - продуктов сфероидизирующей обработки расплава чугуна, формируются шестиугольные силикатные фазы типа CaSiOs и CaAhSi2Os, являющиеся потенциальными ЦКГ в процессе дальнейшей кристаллизации расплава чугуна, из-за их шестиугольной кристаллической структуры, изотропной с кристаллической решеткой графита. При этом обеспечивается низкоэнергетическая когерентная межфазная граница. На рис. 1.5 показаны типичные микроскопические включения в ВЧ, сформировавшиеся после сфероидизирующей обработки расплава чугуна. На рис. 1.6 представлено схематическое изображение компонентов включения после вторичного графитизирующего модифицирования кальций-, барий- или стронций содержащим ферросилицием. Внешняя оболочка включения содержит шестиугольные кальциевые силикаты, сформированные в процессе введения графитизирующего модификатора в расплав СЧ, при этом основа частицы явля 9
ется продуктом сфероидизирующей обработки расплава чугуна. Таким образом, вторичное графитизирующее модифицирование не увеличивает количество ЦКГ, а активирует поверхность уже существующих продуктов реакции активных элементов модификатора с примесями в процессе сфероидизирующей обработки расплава чугуна. Этим объясняется важная связь обработки расплава чугуна магнием и последующего графитизирующего модифицирования, а также то, что успешность эффективной графитизирующей обработки высокопрочного чугуна закладывается в процессе обработки расплава магнием. Результатом гармоничного согласования процессов сфероидизирующего и графитизирующего модифицирования является повышенное количество включений шаровидного графита в литой структуре в виду предварительной активации поверхности ЦКГ. Рис. 1.5. Двойные сульфидные/оксидные включения в ВЧ XOSiOzimiiXO AlzOjSiO. Оболочка: MgO SiO₂2MgO SiO₂ Рис. 1.6. Схема включения после вторичного графитизирующего модифицирования ЩЗМ-содержащим ферросилицием (где X — кальций, барий или стронций) 10
При вторичном графитизирующем модифицировании расплава чугуна ЩЗМ-содержащим ферросилицием происходит формирование шестиугольных силикатов, эквивалентных кальциевым силикатам (например, SrSiO₃, SrAl₂Si₂O8, BaSiO₃, BaAl₂Si₂O₈). 1.2.2. Графитообразование в СЧ В СЧ механизмы формирования ЦКГ несколько отличаются от аналогичных механизмов в ВЧ, прежде всего ввиду отсутствия перед графитизирующим модифицированием в расплаве чугуна магния. Следовательно, в процессе модифицирования роль центров образования силикатов кальция, бария или стронция играют другие неметаллические включения. Для графитизирующего модифицирования СЧ и ВЧ могут быть использованы одни и те же модификаторы, так как механизмы формирования ЦКГ на шестиугольных силикатных включениях, в свою очередь образовавшихся на поверхностях первичных неметаллических включений, и их роста, аналогичны для всех типов чугунов. Однако отсутствие в СЧ первичных сульфидов и силикатов магния приводит к тому, что частицы другого состава будут являться ЦКГ. Например, сульфиды марганца (MnS) могут равноценно заменить иные, имеющиеся в ВЧ магнийсодержащие частицы. Зависимость между содержанием марганца и серы в СЧ определяется выражением: Мп(%масс) = l,7xS(%масс) + 0,3. (1.1) При правильном балансе марганца и серы возникают оптимальные условия для формирования частиц MnS небольшого размера. Кроме того, для обеспечения формирования максимального возможного количества частиц MnS как основы ЦКГ и эффективного графитизирующего модифицирования, содержание серы в СЧ должно быть значительно выше, чем в ВЧ. Рекомендуемое содержание серы не более 0,05...0,15 %. Наиболее важные аспекты модифицирующей обработки расплава чугуна: • ферросилиций промышленной чистоты без добавок ЩЗМ и РЗМ не обладает ощутимым модифицирующим эффектом; 11
• графитизирующее модифицирование позволяет активировать существующие в СЧ и ВЧ неметаллические включения, не увеличивая количество потенциальных ЦКГ; • эффективное графитизирующее модифицирование ВЧ обеспечивается формированием в процессе обработки расплава чугуна магнием большого числа микрочастиц сульфидов и оксидов; • эффективное графитизирующее модифицирование СЧ обеспечивается формированием в расплаве чугуна многочисленных сульфидных частиц; • высокая графитизирующая эффективность ферросилиция обусловлена содержанием в нём таких ЩЗМ как кальций, барий и стронций; • содержание кислорода в расплаве чугуна играет важную роль в формировании в нём в качестве эффективных ЦКГ оксидных неметаллических включений. 1.3. «Старение» модифицирующего эффекта Модификаторы преобразуют, совершенствуют литую структуру чугуна через влияние на строение расплава чугуна, проявляющееся в существенном увеличении ЦКГ, обеспечивающих рост включений графита в процессе эвтектической кристаллизации. При этом в СЧ происходит рост числа эвтектических ячеек, в ВЧ - возрастает количество включений глобулярного графита. В результате модифицирования снижается степень переохлаждения расплава, что сводит до минимума склонность к образованию в структуре чугуна свободного цементита (отбела), особенно в быстроохлаждающихся, тонких сечениях отливки. Модифицирующий эффект максимален сразу после проведения графитизирущей обработки, а затем начинает стремительно уменьшаться. Скорость «старения» модифицирующего эффекта зависит от: • состава модификатора; • типа модифицируемого чугуна; • температуры; • поверхностной энергии; • скорости растворения. 12