Производство качественных отливок из высокопрочного чугуна (ВЧШГ, или ductile iron) невозможно без строгого контроля технологического процесса на всех этапах: от выбора сырья до финальной заливки форм. Особенно ответственными являются операции плавки и сфероидизирующей обработки (введения магния и редкоземельных металлов для получения шаровидного графита). В этой статье мы рассмотрим ключевые аспекты, которые необходимо учитывать технологу литейного цеха.
Базовые условия производства
Химический состав высокопрочного чугуна должен контролироваться особенно тщательно — малейшие отклонения приводят к браку. Необходимо жёстко соблюдать технологию начиная со входа сырья, выбора плавильного агрегата, режимов плавки, контроля температуры и заканчивая сфероидизирующей и модифицирующей обработкой в ковше.
Плавильное оборудование
Для получения качественного исходного расплава под ферритный высокопрочный чугун требуется обеспечить три главных условия. Во-первых, стабильный химический состав, точно соответствующий заданным пределам. Во-вторых, хорошее металлургическое качество: расплав должен быть чистым, без окислов и неметаллических включений. В-третьих, высокая температура выпуска: обычно в пределах 1500–1550 °C.
Формовочное оборудование
Важная особенность высокопрочного чугуна — большое графитовое расширение при затвердевании. Эту особенность можно и нужно использовать в производстве, но для этого требуется обеспечить высокую жёсткость и прочность литейной формы. Иначе форма «раздастся» под давлением расширяющегося металла, и отливка получится рыхлой, с усадочными раковинами. Поэтому выбор формовочной линии (особенно важно для безопочных машин и линий с невысокой жёсткостью опок) должен учитывать этот фактор.
Контроль качества сырья
Чушковый литейный чугун
Исходный чугун в чушках должен быть высокоуглеродистым, с низким содержанием кремния, фосфора и серы. Особенно опасны элементы-«спутники» (например, титан, свинец, сурьма), которые даже в малых концентрациях могут полностью подавить сфероидизацию. Необходимо избегать чугуна с крупными пластинами графита и большим количеством шлаковых включений. Выбор марки чугуна (то есть содержания кремния) определяется требованиями к металлической матрице будущей отливки и рецептурой шихты.
Для высокопрочного чугуна требуются специальные марки чугуна с низким содержанием фосфора (P ≤ 0,05%) и серы (S ≤ 0,02%). Обычный литейный чугун (с содержанием P ≤ 0,06% и S ≤ 0,03%) не всегда подходит.
Возврат собственного производства
Переплавлять литники и брак отливок из высокопрочного чугуна можно, но здесь требуется осторожность. Категорически запрещается использовать покупной чугунный лом неизвестного происхождения.
Стальной лом
Стальной лом служит для регулировки содержания углерода. Он может применяться и как основной шихтовой материал (при переплавке на углеродном носителе). Лом должен быть чистым, из углеродистой стали с известным химическим составом. Использование легированных сталей или лома с неизвестной историей недопустимо.
Сфероидизирующие и модифицирующие лигатуры
Сфероидизирующие лигатуры требуются стабильные и однородные по составу. Конкретный тип лигатуры выбирается в зависимости от типа плавильного агрегата, исходного содержания серы в чугуне и температуры выпуска металла.
При плавке в вагранке (из-за более низкой температуры металла, повышенной серы и худшей чистоты расплава) требуются лигатуры с высоким содержанием магния (Mg 7–9%) и редкоземельных металлов (Re 5% или 7%). При плавке в электропечах металлургическое качество расплава лучше, температура выше, поэтому можно использовать лигатуры с меньшим содержанием магния и редкоземельных: например, Mg 6–8% и Re 2–4%. Для тонкостенных мелких отливок применяют лигатуры с Mg 5–7% и Re 1–3%.
Модификаторы (инокулянты) критически важны. Их введение после сфероидизирующей обработки не только устраняет опасность отбела, но и повышает степень сфероидизации, делает графитовые шарики более мелкими, округлыми и равномерно распределёнными. Практика показывает, что эффективность модифицирования тесно связана с составом инокулянта. В России широко используется ферросилиций ФС75. Для повышенной эффективности и длительности действия применяются комплексные инокулянты на основе кремния с добавками бария, стронция, кальция, алюминия, висмута (силикобарий, силикокальций, силикостронций).
Контроль у печи
Выбор химического состава
Структура и свойства высокопрочного чугуна напрямую определяются его химическим составом. Базой является углерод и кремний; содержание марганца, фосфора и серы ограничивается через качество шихты.
Углерод и кремний. Для получения в литом состоянии ферритной матрицы (без отжига) применяют принцип «высокий углерод + низкий кремний + интенсивное модифицирование». Углеродный эквивалент выбирается из компромисса между литейными свойствами и механическими характеристиками. Для ферритного ВЧШГ с содержанием феррита более 80% и недопустимостью отбела углеродный эквивалент поддерживают в пределах 4,3–4,8%. Содержание углерода: 3,3–3,9%. Содержание кремния в исходном расплаве: 1,2–1,6%; после модифицирования: 2,6–3,0%. Важно не перевысить кремний, так как он упрочняет феррит, но одновременно делает его хрупким и снижает пластичность и ударную вязкость.
Марганец. Он способствует образованию перлита и упрочняет феррит, но резко ухудшает пластичность и ударную вязкость. Для ферритного чугуна марганец должен быть минимальным, обычно менее 0,4%. Для тонкостенных отливок — менее 0,2%.
Фосфор и сера. Они однозначно вредны. Фосфор создаёт хрупкую фосфидную эвтектику по границам зёрен, резко снижая ударную вязкость и пластичность. Сера препятствует сфероидизации. Требования: фосфор менее 0,06%, сера в исходном чугуне до обработки менее 0,04%, после обработки — менее 0,02%.
Остаточный магний и редкоземельные металлы. После обработки в чугуне должно сохраняться определённое количество остаточных магния (действует непосредственно на сфероидизацию) и РЗМ (служат для рафинирования, дегазации, связывания серы и нейтрализации вредных примесей). Однако магний и РЗМ — сильные карбидообразователи. Их избыток ухудшает форму графита, провоцирует отбел и дефекты (шлаковые включения, усадочные раковины, подкорковые пузыри). Поэтому принцип: при гарантированной сфероидизации остатки магния и РЗМ должны быть минимально возможными. Обычно остаточный магний: 0,03–0,05%, остаточные РЗМ: 0,02–0,03%.
Сфероидизирующая и модифицирующая обработка
Для успешной сфероидизации следует соблюдать ряд правил.
Конструкция разливочного ковша должна отвечать технологии. Рекомендуемое соотношение высоты к диаметру полости ковша: 1,0–1,2 (для лучшего усвоения магния). На дне ковша должна быть выемка («колодец») или порог для размещения лигатуры.
Лигатуру дробят на куски подходящего размера. Слишком мелкая фракция быстро всплывает и окисляется (не усваивается), слишком крупная медленно растворяется, затягивает реакцию и снижает температуру металла. Калибр кусков зависит от массы обрабатываемого металла. Лигатуру дробят в день плавки и не хранят долго, особенно во влажных условиях.
Количество добавляемой лигатуры определяется типом плавильного агрегата, температурой выпуска и содержанием серы в исходном чугуне. При электроплавке перед выпуском необходимо тщательно удалить шлак с зеркала металла в печи.
Способ обработки должен быть рациональным. При заливке лигатуру помещают в «колодец» и плотно засыпают сверху модифицирующим ферросилицием и чугунной стружкой. Ковш перед загрузкой лигатуры не должен быть раскалён докрасна (во избежание окисления лигатуры). При заливке струя металла не должна бить прямо в лигатуру. Подача металла должна быть равномерной, без перерыва, не слишком бурной и не слишком слабой. Количество залитого металла должно быть точным (допустимо не более 5% отклонения). Сразу после окончания реакции сфероидизации ковш прикрывают, вводят шлакоуловитель, перемешивают металл и удаляют шлак. Затем производят модифицирующую обработку (инокуляцию).
Главная задача модифицирования — устранение отбела, который провоцируется сфероидизирующими элементами, а также дополнительное улучшение сфероидизации, измельчение и равномерность распределения графитовых шариков. Разные инокулянты, их дозировки, способы и время ввода сильно влияют на свойства. Наилучшие результаты даёт многократное модифицирование, в том числе так называемое «инстантное» (потоковое или в литниковую чашу). Рекомендованная схема: инокуляция в ковш (первичная) + инокуляция плавающим ферросилицием на зеркало металла (вторичная) + инокуляция при заливке в ковш-дозатор или литниковую чашу (третичная). Практика подтверждает высокую эффективность такой схемы.
Контроль в ковше у печи
Качество сфероидизации можно оценивать несколькими методами. Классический метод — заливка треугольной пробы (обычно заливают вертикально или горизонтально). После застывания и охлаждения пробы до тёмно-красного каления её гасят в воде и разбивают. При хорошей сфероидизации излом имеет характерные усадочные впадины по бокам, мелкозернистое строение, серебристо-серый (серебристо-белый) цвет, матовый, при ударе слышен «звон стали» и ощущается запах карбида. Наличие единичных мелких чёрных точек означает неполную сфероидизацию. Серый цвет излома, крупное зерно, множество чёрных пятен и глухой звук указывают на несфероидизированный чугун.
Современные методы — экспресс-металлография у печи (шлиф залитой пробы). Степень сфероидизации должна быть не ниже 2 (по шкале). Также применяются спектральные анализаторы, позволяющие за две минуты получить точный и полный химический анализ расплава.
Особенности конструирования литниково-питающей системы
Литниковая система для высокопрочного чугуна должна проектироваться с учётом его специфических свойств. После сфероидизирующей обработки образуется много густого шлака, поэтому в системе необходимо предусматривать шлакоуловители, перегородки и другие меры шлакоулавливания. Чугун склонен к вторичному окислению — при турбулентном движении и разбрызгивании струи образуются оксидные плёнки («вторичный шлак»). Поэтому важна спокойная, горизонтальная, нижняя подводка металла в форму.
Благодаря графитовому расширению, при жёсткой форме можно получить отливку без прибыли (если масса и конфигурация позволяют). Однако ВЧШГ имеет кашеобразный характер затвердевания, и протяжённость зоны эффективного питания прибыли невелика. Поэтому при необходимости ставят несколько прибылей или комбинируют прибыли с холодильниками.
Исходя из этого, для ВЧШГ обычно применяют полузакрытые или открытые литниковые системы.
Скорость охлаждения отливки в форме зависит от времени выбивки. Разное время выбивки даёт разную металлическую основу. Для получения ферритной структуры в литом состоянии мало иметь сырую песчаную форму с достаточной податливостью. Важно обеспечить длительную выдержку отливки в форме для замедленного охлаждения. Как минимум, необходимо остудить отливку в форме до температуры ниже 650 °C — только после этого её можно выбивать из формы.
Поставка и сервисное сопровождение формовочных машин и линий ПГС в Россию.
В России официальным сервисным партнером ZOOMZU Machinery является ООО «РТ-Металлургия». Компания обеспечивает комплексное сопровождение проектов «под ключ», включая подбор оборудования, разработку технических решений, организацию поставок, шеф-монтаж, пусконаладочные работы, обучение персонала и последующее сервисное обслуживание. Такой подход позволяет российским заказчикам получать не только современное оборудование, но и полноценную инженерную поддержку на всех этапах реализации проекта. Подробнее о сотрудничестве можно узнать на странице "Поставка и сервисное сопровождение оборудования ZOOMZU Machinery в России".