Модификатор для производства чугунов с вермикулярным графитом COMPACTMAG™

• Модификатор разработан специально для получения вермикулярного графита в чугунах.

• Экономически более выгоден, чем титан, минимизирует образование шлака и, соответственно, вероятность возникновения шлаковых дефектов.

• Содержит тщательно сбалансированное количество Mg, Ca и РЗМ, оптимальное для производства ЧВГ.

• Высокое содержание РЗМ минимизирует чувствительность структуры ЧВГ к толщине отливки.

• Рекомендуется для чугунов с низким содержанием серы (< 0,02 %), может использоваться при получении ЧВГ сандвич-процессом при модифицировании в ковше и внутриформенном модифицировании.

• Модификатор CompactMag™ позволяет смешивать отходы ЧВГ и ВЧ без отрицательных последствий.

Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) является разновидностью литейных чугунов и по механическим и физическим свойствам занимает промежуточное положение между ВЧ и чугуном с пластинчатым графитом. Он представляет особый интерес для специалистов прежде всего полезным сочетанием прочности, теплопроводности и других свойств. При производстве ЧВГ требуется базовый чугун определенного состава, а также управление технологическим процессом, подобным тому, что используют при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна. Пример типичной микроструктуры ЧВГ показан на рис. 1.

Данная статья описывает особенности сплава ФСМг и успешный метод производства ЧВГ, разработанный компанией "Элкем АСА".

Модификатор, получивший название CompactMag™, производится на заводе компании "Элкем АСА" в BjOlvefossen, Норвегия, сертифицированном в соответствии с ISO 9001, ISO 14001, а также QS 9000.

ВЫСОКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЗМ И ПРОИЗВОДСТВО ЧВГ

Применение CompactMag™ дает уникальную альтернативу производства ЧВГ. В частности, высокое содержание РЗМ в сплаве (прибл. 6 %) дает ряд существенных преимуществ, в том числе и при контроле за качеством микроструктуры. Установлено, что РЗМ снижает чувствительность микроструктуры ЧВГ к толщине сечения отливки, что приводит к унификации микроструктуры толстых и тонких сечений сложных отливок. Усвоение РЗМ контролируется легче, чем усвоение Mg. Поэтому результаты работы модификатора более предсказуемы.

Таблица 1. Химический состав модификатора CompactMag™ 

На рис. 2 и 3 показаны микроструктуры ЧВГ с низким содержанием серы, обработанные двумя марками ФСМг, один из которых содержит около 1 % РЗМ, другой - CompactMag™ - около 6%. При использовании модификатора с пониженным (1 %) содержанием РЗМ (рис. 2) сечение толщиной 5 мм содержит, преимущественно, глобулярный графит, в то время как сечение толщиной 35 мм - в основном, пластинчатый. Это классический пример влияния толщины сечения на структуру графита в процессе производства отливок сложной конфигурации из ЧВГ с использованием магния.

На рис. 3 показана микроструктура, полученная с использованием CompactMag™ (при той же навеске 0,35 % вес) при модифицировании чугуна с низким содержанием серы. Тонкое сечение (5мм) состоит примерно на 50% из ЧВГ (остальное - глобулярный графит), а структура толстого сечения (35 мм) близка к удовлетворительной микроструктуре ЧВГ. Единственное существенное различие между двумя модификаторами - это уровень содержания РЗМ (1 % и 6 % соответственно). 

Рис. 3. Пример структуры графита в чугуне с низким содержанием серы, модифицированного с использованием 0,35 % вес CompactMag™; (а) сечение 5 мм (b) сечение 35 мм.

АЛЬТЕРНАТИВА ПОЛУЧЕНИЯ ЧВГ, БЕЗ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА

Модификатор CompactMag™ является реальной альтернативой использованию титана при производстве ЧВГ. Использование титана чревато загрязнением возврата. При использовании такого возврата это может провоцировать неудовлетворительную структуру графита: наличие компактного графита в структуре ВЧ и переохлажденного графита типа "D" в структуре СЧ. К тому же, примене-ние титана может спровоцировать серьезные проблемы при механической обработке. Наиболее явные преимущества использования CompactMag™ в качестве альтернативы титану:

• Устранение возможности загрязнения титаном серых и высокопрочных чугунов.

• Возврат ЧВГ, полученного с помощью CompactMag™, можно смешивать с возвратом ВЧ без отрицательных последствий.

• Применение CompactMag™ вместо титана позволяет доводить требуемое содержание кремния в ковше. Меньшее содержание кремния базового чугуна в печи продлевает стойкость динасовой футеровки.

• Минимальное образование шлака.

• Улучшение механической обрабатываемости отливок из-за отсутствия хрупких и твердых частиц карбонитридов титана.

• Существенное снижение затрат на модифицирование.

Модификатор CompactMagТМ, с высоким содержанием РЗМ, является наилучшей альтернативой для производства ЧВГ на предприятиях, которые стремятся избежать применения титана. Кроме того CompactMag™ является хорошей альтернативой двустадийному процессу обработки базового чугуна отдельно магнием и РЗМ.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЧВГ

Наиболее важными моментами при производстве ЧВГ являются измерение, контроль и поддержание следующих параметров:

• Состав базового чугуна

• Предварительная обработка базового чугуна

• Объем металла и навеска модификатора

• Выход годного

• Графитизирующее модифицирование

• Конечный состав ЧВГ

• Микроструктура

• Свойства отливок

Ниже приведены рекомендации для производства ЧВГ с использованием модификатора CompactMag™. Основное правило - ЧВГ должен производится из базового чугуна с низким содержанием серы, так как высокая сера затрудняет управление процессом и снижает однородность структуры отливок.

Таблица 2. Рекомендуемый состав базового чугуна при использовании модификатора CompactMag™ 

Уровень содержания кремния и марганца может изменяться в зависимости от требуемых свойств чугуна. Предложенный состав базового чугуна на ЧВГ подобен составу базового чугуна для ВЧ. Очень важно достигать низкого содержания серы и избегать его колебаний перед модифицированием. Уровень содержания остальных примесей должен быть ниже стандартных норм, разрабо-танных для ВЧ. Важно отдавать отчет, что производство ЧВГ сходно с производством ВЧ. Притом, что современные тенденции подразумевают переход на ЧВГ именно с серых чугунов. Так, при использовании ваграночных чугунов для получения ЧВГ необходимо проводить их десульфурацию.

На рис. 4 показан пример структуры графита в отливке, изготовленной из чугуна с базовым содержанием серы 0,07%. Остаточное со-держание серы 0,03%, магния - 0,025%. В результате ликвации серы в локальном сечении образовалась смесь пластинчатого графита и глобулярного, и поэтому отливка из ЧВГ не может считаться качественной.

Контроль за качеством процесса производства ЧВГ посредством тщательного отбора проб строго необходим. Образцы, предназначенные для исследования, рекомендуется отливать в одной форме с отливкой, так как отдельно изготовленные образцы часто демонстрируют отличия по структуре и свойствам. Необходимо исследовать различные сечения отливок для обеспечения оптимальной микроструктуры в зависимости от навески модификатора.

Для чугуна с низким содержанием серы (0,005 - 0,01%) рекомендованная навеска CompactMag™ составляет 0,3 - 0,4 % вес. при использовании сандвич процесса в ковшевом модифицировании.

КОНЕЧНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЧВГ

В соответствии с рекомендованным выше химическим составом базового чугуна, для получения качественной структуры в ЧВГ достаточно добавить приблизительно 0,3 - 0,4 % вес модификатора CompactMag™. Один из примеров конечного состава чугуна после модифицирования приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример конечного состава ЧВГ при использовании CompactMag™

Из перечисленных элементов только присутствие титана является следствием загрязнения отходов. Содержание магния и церия низкое и соответствуют низкому содержанию серы. Возврат такого чугуна абсолютно безопасен при смешивании его с возвратом ВЧ.

Единственное значительное отличие данного чугуна от ВЧ с низким содержанием серы является более низкое содержание остаточного магния и относительно высокое остаточное содержание церия (для ВЧ типично: 0,04 % Mg и 0,01% Се).

Как правило, усвоение магния и церия из CompactMag™ составляет порядка 50 - 70 % для Mg и 80 - 90 % для Cе. Усвоение в значительной степени зависит от базового содержания серы, температуры модифицирования, а также от эффективности процесса (сандвич, "Ковш с крышкой", внутриформенное модифицирование и т.д.).

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА

При обработке чугунов с низким содержанием серы с использованием титана величина навески, как правило, составляет 1 - 2 % вес ФСМг и 0,1 - 0,6 % вес титана (в виде FeTi). При использовании CompactMag™ величина навески составляет приблизительно 0,3 - 0,4 %вес. Как в случае применения титана, так и при использовании CompactMag™ может возникать необходимость дополнительного вторичного графитизирующего модифицирования. Далее приведены примеры модифицирования чугуна с низким содержанием серы с применением титана и CompactMag™. 

Таким образом CompactMag™ является более предпочтительной альтернативой с точки зрения снижения затрат на модифицирование из-за более низкого расхода. Дополнительная экономия достигается за счет снижения выхода шлака и повышения обрабатываемости отливок.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА И ВТОРИЧНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧВГ

В большинстве случаев, при производстве ЧВГ требуется вторичное модифицирование. Высокоэффективный графитизирующий модификатор способствует достижению большей степени сфероидизации графита, улучшая тем самым механические свойства отливок. Очень важно избегать образования эвтектических карбидов в отливках из ЧВГ (как впрочем, в СЧ и ВЧ).

Вторичное, графитизирующее модифицирование, как правило, необходимо для получения тонкостенных отливок из ЧВГ, для гарантированного устранения отбела. Впрочем, применение обычных гафитизирующих модификаторов можно рассматривать как компромиссное решение по снижению степени сфероидизации в тонких сечениях с одновременным получением хорошего, компактного графита. ЧВГ, получаемый с использованием CompactMag™, может быть вторично модифицирован как ковше, так посредством MSI (позднее модифицирование в струе). Установлено, что для получения отливок из ЧВГ с относительно толстым сечением графитизирующий модификатор можно использовать в качестве защитного слоя CompactMag™ при заправке реакционного кармана по технологии сандвич процесс. Практика показывает, что в комбинации с CompactMag, целесообразно применять такие графитизирующие материалы как Foundrisil® Inoculant, Superseed® Inoculant и Reseed® Inoculant. Расход графитизирующего модификатора, как правило, составляет от 0,1 % до 0,5 %вес., в зависимости от способа и места введения, скорости разливки и толщины сечений отливки. Предварительная обработка ЧВГ может быть необходима для контроля за базовой окисленностью расплава и создания благоприятных условий для более эффективного образования и роста графита заданных форм. Этот процесс требует ввода в расплав малоустойчивых оксидов, предпочтительно, до уровня насыщения расплава. Установлено, что добавка 0,1 - 0,2 % специального модификатора Ultraseed® Inoculant, содержащего кислород, самым положительным образом сказывается на эффективности процесса. Использование модификатора Ultraseed® Inoculant перед обработкой расплава модификатором CompactMag™ позволяет достигать оптимального кислородного баланса в базовом чугуне, что обеспечивает эффективный контроль за компактной структурой графита в отливках. Уровень содержания свободного кислорода в базовом чугуне может быть измерен стандартными способами.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДИФИКАТОРА COMPACTMAG™
(ПРИМЕРЫ ИЗ ПРАКТИКИ)

Ниже приведены два примера производства ЧВГ с использованием CompactMag™. Данные примеры демонстрируют некоторые особенности и преимущества применения материалов с высоким содержанием РЗМ.

Пример из практики 1

Литейные предприятия используют индукционную плавку шихты, состоящей из чистого, передельного чугуна, стального лома, возврата ВЧ, науглероживателя и ферросилиция. Типичный анализ базового чугуна в печи: 3.7% C; 1.8% Si; 0.25% Mn; 0.013% S.

После ковшевого модифицирования методом сандвич процесса (0,35 % CompactMag™ и 0,3 % Foundrisil® Inoculant в качестве защитного слоя) конечный состав чугуна в отливках: 3,6% С; 2.6% Si; 0.22% Mn; 0.015% P; 0.009% S; 0.008% Mg; 0.015% Ce.

После начала применения 0,1 % Ultraseed® Inoculant для предварительной обработки базового чугуна был сделан ряд интересных заключений, в том числе касающихся вторичного модифицирования.

Предварительная обработка

Рис. 6 показывает структуру графита в сечениях 10 мм и 20 мм отливок, обработанных 0,35 % CompactMag™ и 0,3 % Foundrisil® Inoculant в качестве защитного слоя. Помимо этого чугун отливок был вторично модифицирован 0.25 % Foundrisil® Inoculant при переливе из транспортировочного в заливочный ковш. Анализ микроструктуры показывает хороший компактный графит с 30 % сфероидизацией как в толстых, так и в тонких сечениях.

Рис. 6. Пример структуры графита в чугуне, после его обработки 0,35 % CompactMag™, 0,3 % Foundrisil® в качестве защитного слоя и 0,25 % Foundrisl® при вторичном, графитизирующем модифицировании. Толщина сечения отливки 10 мм (а) и 20 мм (b).

Рис. 7 показывает структуру графита в той же отливке, полученной из аналогичного чугуна предварительно обработанного 0,1 % Ultraseed® Inoculant. В данном случае структура графита более однородна, с более мелкими включениями и со степенью сфероидизации на уровне 20 %. Таким образом, установлено, что предварительная обработка способствует формированию более тонкой и гомогенизированной структуры, без образования графита неправильных форм и большого размера включений, особенно в сечениях 20 мм. 

Рис. 7. Пример структуры графита в чугуне, после предварительной обработки 0,1 % Ultraseed® с последующей обработкой 0,35 % CompactMag™, 0,3 % Foundrisil® в качестве защитного слоя и 0,25 % Foundrisil® при вторичном модифицировании. Толщина сечения отливки 10 мм (а) и 20 мм (b).

Вторичное графитизирующее модифицирование

Рис. 8 показывает структуру графита в отливке, при производстве которой отказались от вторичного модифицирования. Использовали только 0,3 % Foundrisil® Inoculant в качестве засыпки реакционного кармана. Базовый металл также предварительно обработан 0,1 % Ultraseed® Inoculant. Степень шаровидности графита низкая (10 %) как в толстых, так и в тонких сечениях, а структура ЧВГ составлена большим количеством мелких, компактных графитовых включений. При сопоставлении структур рис. 7 (а) и рис. 8 (а) очевидно, что вторичное модифицирование увеличивает степень ша-ровидности примерно с 15 % до 30 %. Тем не менее, предварительное модифицирование Ultraseed® Inoculant и использование Foundrisil® Inoculant только в качестве защитного материала облегчает задачу получения качественной структуры ЧВГ без наличия карбидов даже в сечениях 10 мм. Отказ или существенное снижение от вторичного модифицирования в этом случае положительно влияет на уменьшение степени шаровидности, в то время как улучшение структуры может быть достигнуто другими способами.

Рис. 8. Пример структуры графита в чугуне, после предварительной обработки 0,1 % Ultraseed® с последующей обработкой 0,35 % CompactMag™, 0,3 % Foundrisil® в качестве защитного слоя, без вторичного модифицирования. Толщина сечения отливки 10 мм (а) и 20 мм (b).

Рис. 9 показывает распределение коэффициента формы графита для модифицированного и немодифицированного чугуна (сечение 10 мм). Для модифицированной структуры этот показатель составляет в среднем 0,45, в то время как для немодифицированной - только около 0,35. Присутствие в структуре чугуна без вторичной обработки графита с коэффициентом формы значительно меньше 0,8-1,0 (глобулярный графит), предполагает более качественную структуру ЧВГ. Расчет коэффициента формы графита ведется по формуле: 4637"