Получение качественных деталей из чугуна с шаровидным графитом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение качественных деталей из чугуна с шаровидным графитом

Воеводина М.А., Крушенко Г.Г.

Аннотация

Разработаны фильтры с адгезионно-активным покрытием из легкоплавких фторидов, позволяющие обеспечить высокую степень рафинирования расплава чугуна с шаровидным графитом.

Ключевые слова: чугун с шаровидным графитом, рафинирование, фильтрование

Annotation

Filters with adhesive-active covering from the fusible fluorides are developed, allowing to provide high degree of refinement liquid pig-iron with spherical graphite.

Key words: pig-iron with spherical graphite, refinement, filtration

Результаты экспериментальных и промышленных исследований свидетельствуют о высокой эффективности процесса очистки от вредных примесей расплава чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) фильтрованием с помощью тканых, пенокерамических и ячеистых фильтров [1, 2].

Однако при их использовании для рафинирования расплава ЧШГ не обеспечивается высокая степень очистки расплава. Поэтому применительно к фильтрованию ЧШГ выбор материала фильтра и его конструкционных характеристик должен быть определен с учетом обеспечения высокой рафинирующей и пропускной способности фильтрующего материала.

В данной работе исследовали возможность повышения рафинирующей способности зернистых фильтров. Для исследования использовали чугуны, которые по исходному содержанию серы соответствуют чугуну ваграночной плавки (табл. 1.)

Чугун выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 путем переплава отходов чугуна ваграночной плавки. Модифицирование производили «сэндвич»-процессом в предварительно подогретом ковше емкостью 10 кг. С этой целью 1-2 масс. % никель-магниевой лигатуры Ni-Mg с содержанием магния 15 масс. %, смешивали с 2-3 масс. % ферросилиция марки ФС75, и дробили эту смесь на фракции 5-10 мм. Смесь засыпали на дно ковша и догружали стальной стружкой для замедления процесса взаимодействия расплава с модификатором и снижения потерь магния. Чугун выпускали из печи при 1400⁰С, в ковше расплав выдерживали 2-3 мин.

Зернистые фильтры составляли из гранул диаметром 10-15 мм, которые получали из порошкообразного магнезита фракции 1-3 мм путем окатывания в барабанном грануляторе. В качестве связующего использовали водный раствор жидкого стекла плотностью 1,48 г/см³ (в соотношении 1:1). После предварительной сушки на воздухе гранулы прокаливали при 600-650⁰С в течение 40 мин. Фильтрующие элементы с адгезионно-активным покрытием из плавикого шпата (CaF₂) или криолита (Nа_зА1F₆) получали путем плакирования магнезитовых гранул. Для этого гранулы из магнезита дополнительно окатывали порошками плавикового шпата или криолита. Затем эти гранулы сушили по известному режиму. Изготовление плакированных гранул позволило снизить расход дефицитных материалов в 10-15 раз по сравнению с изготовлением их только из этих материалов.

Гранулы размещали в шамотной заливной чаше между двумя огнеупорными сетками. Собранные фильтры прогревали перед заливкой до 400-500⁰С. рафинирование чугун шаровидный графит

С целью моделирования поведения неметаллических частиц при получении отливок из ЧШГ с развитыми плоскими поверхностями из модифицированного чугуна заливали в песчаные формы через чаши с фильтром и без фильтра горизонтальные ступенчатые пробы с толщиной ступеней 15, 30 и 60 мм.

Эффективность фильтрования чугуна оценивали качественно по серным отпечаткам темплетов отливок и количественно по изменению относительной площади «черных пятен» и точечных включений.

Серосодержащие включения на серных отпечатках темплетов отливок классифицировали на пятнистые (размер 0,1 мм) и точечные (размер 0,1 мм) Относительную площадь, занятую «пятнами», определяли планиметрическим методом Деллеса [3] на всей поверхности серного отпечатка темплета как F_п/F_o, а относительную площадь точечных включений F_т/F_o путем просмотра шлифов под оптическим микроскопом, где F_п - площадь, занятая пятнистыми включениями, мм², F_т - площадь, занятая точечными включениями, мм², F_o - общая площадь поверхности темплета, мм².

Неметаллические включения в ЧШГ представляют собой, в основном, продукты взаимодействия магния с кислородом и серой. Оксид и сульфид магния имеют высокую температуру плавления ( 2000⁰С), которая намного выше температуры модифицирования расплава ( 1400⁰С). Поэтому при фильтровании жидкого чугуна неметаллические частицы контактируют с твердой поверхностью фильтра в отдельных точках (рис. 1, а). В этом случае частицы удерживаются на поверхности фильтра слабой адгезионной силой и могут смываться потоком расплава (особенно крупные включения). В связи с этим эффективность очистки расплава от крупных неметаллических частиц при прохождении его через фильтр из тугоплавкого материала относительно низка.

При таких условиях основные резервы повышения эффективности фильтрационного рафинирования ЧШГ связаны с обеспечением надежного удержания неметаллических частиц на поверхности фильтра.

Рассматриваемая задача может быть успешно решена путем создания на поверхности фильтра плакированного слоя из адгезионно-активного материала [4]. Под последним подразумеваются материалы, которые имеют относительно низкую температуру плавления, сопоставимую с температурой фильтруемого сплава, или образуют с неметаллической фазой легкоплавкие составы. В первом случае (рис. 1, б) на поверхности тугоплавкой основы фильтра (ядра) формируется «мягкий» слой из адгезионно-активного материала. Неметаллическая частица на такой поверхности частично погружается в «мягкий» слой. За счет этого достигается существенное увеличение поверхности их контакта. Поскольку суммарная сила их адгезионного взаимодействия пропорциональна площади контакта, то в случае погружения неметаллической частицы в «мягкий» слой фильтра она существенно возрастает.

Согласно [4] на «мягкой» поверхности сила адгезии частиц диаметром 10-100 мкм возрастает в 1-100 раз. Поэтому фильтры с мягким поверхностным слоем должны обеспечивать более надежное удерживание неметаллических частиц, в том числе крупных.

В случае формирования на контактной поверхности легкоплавкой фазы, которая смачивает твердую неметаллическую частицу, то в месте контакта смачиваемая жидкость образует манжету (рис. 1, в). В этом случае не частица погружается в «мягкий» слой фильтра, а жидкая фаза поднимается вверх. При этом также достигается увеличение площади контакта неметаллической частицы с фильтром и силы адгезии их друг к другу. Очевидно, что при образовании «мягкого» поверхностного слоя или жидкой пленки эффективность фильтрования высокопрочного чугуна должна существенно возрасти. Причем последний вариант, видимо, будет более эффективным.

Для получения на поверхности фильтра «мягкого» слоя гранулы плакировали легкоплавкими фторидами - техническим плавиковым шпатом CaF₂ или криолитом Na₃AlF₆.

При выборе исходных плакирующих материалов оценивали не только температуру плавления, но также возможность образования на границе контакта плакирующего материала с неметаллическим включением легкоплавкой фазы. В связи с отсутствием диаграмм состояния фторидов и сульфидов рассматривали только вариант неметаллических включений в виде MgO.

Анализ возможного взаимодействия твердого включения MgO с плакированным слоем фильтра, в частности, из CaF₂, показал, что при температуре фильтрования чугуна свыше 1350⁰C на границе из контакта образуется более легкоплавкая эвтектика, содержащая 20-50 % MgO [4]. Такой подход позволяет на практике реализовать идею повышения надежности удерживания неметаллических частиц на поверхности фильтра за счет увеличения площади их контакта.

Эффективность фильтрования оценивали качественно по серным отпечаткам темплетов отливок и количественно по изменению относительной площади пятнистых и точечных включений и содержания серы.

Для изучения влияния адгезионно-активных покрытий на поверхности зернистого фильтра провели две серии экспериментов.

В первой серии экспериментов для получения технологических проб использовали чугун с высоким исходным содержанием серы (0,07 %). На серном отпечатке нефильтрованной отливки из модифицированного чугуна пятнистыми дефектами поражен верхний поверхностный слой отливки толщиной до 12 мм. Макроскопления пятнистых дефектов занимают 12 % площади темплета отливки (рис. 2, вариант 1, а). Точечные включения размером < 0,1 мм распределены относительно равномерно и занимают до 2,5 % поверхности (рис. 2, вариант 1, б). Фильтрование такого же расплава через гранулы, плакированные фторидом кальция (рис. 2, вариант 3, а), обеспечивает снижение количества пятнистых дефектов до 1,5 %. На серном отпечатке темплета отливки, фильтрованной через гранулы с покрытием из криолита, скопления грубых включений отсутствуют, размер точечных включений становится меньше, чем в предыдущем случае. Количественно это выражается в снижении площади, занятой точечными включениями, до 2 отн. % (рис. 2, вариант 4, б).

Во второй серии экспериментов использовали чугун с меньшим содержанием серы (0,04%). Сравнительная картина изменения загрязненности отливок проявляется менее контрастно, но изложенная закономерность сохраняется. Отсюда следует, что фильтрование является эффективным способом устранения в отливках из ЧШГ скоплений неметаллических включений - продуктов сфероидизирующего и графитизирующего модифицирования. Плакирование поверхности фильтра позволяет существенно повысить эффективность рафинирования чугуна.

Таким образом, показано, что при условии прямого контакта крупных и твердых неметаллических частиц, присутствующих в расплаве ЧШГ, с поверхностью фильтра лимитирующим фактором фильтрационного рафинирования становится недостаточное их адгезионное взаимодействие с материалом фильтра. Разработаны двухслойные зернистые фильтры, плакированные плавиковым штатом и криолитом, имеющие высокую рафинирующую способность.

Список литературы

1. Чайкин, А.А., Ткаченко, В.М, Бондарев, М.М. Рафинирование модифицированного в форме ЧШГ с помощью фильтрованной сетки из стекловолокна // Литейное производство.- 1988.- № 4. - С.- 4-5.

2. Hawranek R., Lelito J., Suchy J.S, Zak P. The simulation of a liquid cast iron flow through the gating system with filter // Archives of metallurgy and materials.- 2009.- V. 54.- Issue 2 - P.- 351-358.

3. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография.- М.: Металлургия, 1976.- 272 с.

4. Зимон, А. Д. Адгезия пыли и порошков.- М.: Химия, 1976.- 432 с.

Размещено на Allbest.ru