Особенности плавки и внепечной обработки расплавов для отливок

При производстве отливок из износостойких чугунов используют различные по конструкции и способу плавки плавильные агрегаты, однако более широкое распространение получает плавка чугу­на в электрических индукционных печах и методом дуплекс-процессов. Различные варианты дуплекс-процессов с промежу­точной внепечной обработкой жидкого чугуна применяются для получе­ния малоуглеродистого чугуна, используемого при производстве отливок из ковкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Применение канальных печей для плавки чугуна сдерживается низ­кой стойкостью футеровки. В настоящее время футеровка крупных ка­нальных печей служит один-два года, а в каналах — до шести месяцев, и эти печи могут использоваться в качестве самостоятельного плавильного агрегата, где часовая производительность не превышает 20 т.

Наряду с дуплекс-процессами для получения износостойких легиро­ванных чугунов все шире применяют различные электрические печи, что обусловлено быстрым возрастанием цен на кокс, а также уменьшением выбросов в атмосферу при переходе на электроплавку.

Индукционные электропечи обеспечивают достаточно высокие фи­зико-механические свойства и перегрев чугуна, однако такой чугун больше склонен к повышенной усадке и трещинам.

В индукционных печах количество используемой стружки и металлоотходов необходимо выдерживать в определенном соотношении, которое не должно превышать 1:3 из-за опасности быстрого разрушения футеровки. Не рекомендуется использовать неочищенный возврат литейно­го цеха и шихту с неметаллическими примесями, так как удаление шлака из индукционной печи затруднено.

Расширяется применение тигельных печей средней частоты с тиристорными преобразователями, печей непрерывного действия с горизонтально расположенными индукторами и высокой удельной мощностью (400…600 кВт/т).

В ряде литейных цехов для плавки и дополнительного перегрева расплава применяют печи барабанного типа емкостью до 70 т и более. В барабанных печах можно переплавлять большие количества чу­гунной стружки и стального скрапа, вдувая в печь гранулированный карбюризатор. Степень усвоения вдуваемого углерода до 60 %.

Основная задача при плавке для производства износостойких отли­вок — получение малоуглеродистого комплексно-легированного чугуна с достаточно высокой температурой перегрева, которая обеспечивает хорошую заполняемость литейных форм.

Зависимость износостойкости чугунов от металлургических пара­метров плавки, химического состава и методов обработки расплава обычно исследуют, изменяя какой-либо отдельный фактор при прочих равных условиях.

Однако такие способы исследования для определения влияния раз­личных режимов и факторов на один и тот же параметр часто приводят к противоречивым результатам, что связано с принятием различных значений неизменяющихся параметров.

Более достоверные данные обеспечивают комплексные исследова­ния влияния металлургических и технологических режимов и структур­ных параметров на свойства износостойких чугунов в отливках, при ко­торых обработка полученных результатов производится методами математической статистики с использованием ЭВМ.

Способ выплавки высоколегированного износостойкого чугуна ИЧХ15МФ предусматривает присадку карбида кальция и трехокиси молибдена, введение в состав шихты феррохрома, ванадия и бора, расплавление, перегрев, окончательное раскисление шлаками и модифицирова­ние химически активными металлами. Последовательная присадка каль­ция и трехокиси молибдена предохраняет подину основной электропечи от переохлаждения. Расплавленная трехокись молибдена стекает на слои карбида кальция, в результате чего происходит ее восстановление по реакции

Мо0₃ + СаС₂ ⁼ Mo + СаО + 2СО.

В результате частичного или полного восстановления трехокиси молибдена уменьшается окисление ванадия, хрома и бора, а содержание их окислов в шлаке снижается в 1,5…3,0 раза.

Расход карбида кальция зависит от количества трехокиси молибдена в завалке и определяется стехиометрическим расчетом приведенной реакции. Молекулярные массы Мо0₃ и СаС₂ равны 144 и 64 единицам соответственно, соотношение молекулярных масс равно 2,25, так как каждая массовая единица карбида кальция теоретически восстанавливает 2,25 массовых единицы трехокиси молибдена. Ввиду действия влаги га­зовой фазы происходит частичное разложение карбида кальция и степень его использования понижается до 85…93 %. Количество восстановлен­ной трехокиси молибдена уменьшается на 10… 15 %, поэтому соотноше­ние карбида кальция и трехокиси молибдена должно быть 1 :(1,9—2,0). Для окончательного раскисления шлака используют карбид кальция в количестве 1,5…2,1 % (мае.) в смеси с порошками силикокалыдия, ферросилиция и извести. В результате использования такой технологии плавки уменьшается угар легирующих компонентов и снижается концентрация кислорода в чугуне на 9…16 % (мае.).

В исследовался чугун следующего химического состава, % (мае.): углерод 2,6…3,5; кремний 1,2… 1,8; марганец 0,3…0,8; хром 0,2…0,5; титан 0,1…0,4; ванадий 0,1…0,2; алюминий 0,1…0,2. Микроструктура чугуна имела ярко выраженный транскристаллитный характер. Непре­рывным литьем получали прутки диаметром 51 мм, длиной 200 мм с ша­гом вытягивания 50 мм. Отливки не подвергались термической обработ­ке, чтобы исключить развитие процессов трещинообразования.

При опробовании вариантов нагрева в первую очередь использовал­ся индукционный нагрев, поскольку он обеспечивает минимальное окалинообразование, а малая продолжительность нагрева не дает начаться процессу графитизации карбидов. При этом выяснилось, что скорость нагрева не должна превышать 200 °С/мин. При большей скорости из-за высокого уровня внутренних напряжений в отливке существует опас­ность трещинообразования.

Деформация проводилась на стане поперечной трехвалковой про­катки (ПТП). Прокатка заключается в следующем.

Разогретая заготовка зажимается одним концом в патрон, а вторым подается в пространство между тремя валками. В процессе вращения образующей поверхности валков, выполненной в виде клиньев, происходит профилирование поверхности заготовки с заданной степенью деформа­ции. Таким образом могут быть получены фаски, скругления, различного рода ступенчатые валы. Достоинством ПТП является более благоприят­ная схема деформации по сравнению с классической прокаткой двумя инструментами, что важно для такого малопластичного материала, как чугун.

Особенностью прокатки хрупкого материала (чугуна) является незначительная степень деформации за проход, которая не должна превышать 20 %. Большая однократная степень деформации приводит к образо­ванию трещин или разлому заготовки на части. Наибольшая суммарная степень деформации (определяемая соотношением диаметров прокатанной и исходной заготовок), которую удалось достичь, составила 60 %.

При прокатке торцовой части заготовки, крайние заготовки являют­ся дефектными из-за утяжины в центре, поскольку скорость пластическо­го течения сердцевины меньше, чем поверхности. Центральная часть прутка деформировалась по линии отсечки, а затем заготовки обламыва­лись по линии отсечки.

В поверхностных слоях мелющих тел, полученных прокаткой, про­исходит проработка грубой литой транскристаллитной структуры, что должно положительно сказываться на пластических характеристиках чу­гуна и уменьшать хрупкость мелющих тел.

В результате экспериментов показана принципиальная возможность использования поперечной прокатки для деформирования белого чугуна. Для серийного производства мелющих тел необходимо проектирование и изготовление валков специальной конфигурации, а также разработка режимов окончательной термической обработки. Проектная производи­тельность стана при производстве деталей такого класса составляет 180 изделий в час.

При выплавке высокохромистых чугунов типа ИЧХ12ГЗМ, ИЧХ17МЗ, ИЧХ12Г5 и ИЧХ15ГЗМ в литейных цехах используют дуговые и индукционные электропечи. Составы шихты для плавки ряда износостойких чугунов приведены в таблице. При выплавке чугунов ИЧХ12Г5 и ИЧХ12ГЗМ ферромарганец предварительно подогревается до 800…900 °С и вводится перед выпуском металла или непосредственно в разливочные ковши. Предварительный подогрев шихты при плавке бе­лых чугунов является также экономически выгодной операцией.

При плавке чугунов ИЧХ12Г5 и ИЧХ12ГЗМ в электропечах с ос­новной футеровкой ферромарганец вводится в печь за 1200… 1500 с до выпуска из плавильного агрегата, что позволяет сократить угар марганца до 8… 10 %. Время плавки чугунов на 30…40 % меньше продолжитель­ности плавки такого же количества стали марки 110Г13Л.

При плавке чугуна ИЧХ15М2Г и ИЧХ15Г2М используются тигель­ные индукционные печи. Выпуск расплава из печи производят при температуре 1510… 1550 °С. Для улучшения механических свойств и струк­туры чугунов в отливках, снижения содержания газов и неметаллических включений применяют операции раскисления и модифицирования редко­земельными и другими химически активными металлами в количестве 0,03…0,08 % от массы расплава. Введение в расплав перед модифициро­ванием комплексных сплавов, содержащих 80 % карбида кальция, 12 % РЗМ и 8 % магния, позволяет снижать содержание серы до 0,005 % при расходе десульфуратора 0,12…0,2 %.

Получение чугуна из коксовых вагранок с более низким содержани­ем серы возможно при основном процессе плавки, требующем горячего хода вагранки, что связано с дополнительными затратами кокса и обяза­тельным охлаждением кожуха плавильного пояса. Указанные факторы в большинстве случаев делают основной процесс плавки нерентабельным, поэтому предпочитают способы внепечного обессеривания или плавку в газовых вагранках.

Составы шихты для выплавки белых чугунов

В литейных цехах используются следующие способы интенсифика­ции внепечных способов обессеривания: продувка расплавленного чугу­на газами; перемешивание металлической ванны при помощи механиче­ских мешалок, специальных вибраторов, ультразвуковых дегазаторов и т.д. с добавкой в ковши (миксеры) соды, карбида кальция и других реа­гентов; перелив расплава в ковшах и электролиз шлака, а также способы непрерывного обессеривания.

Белые чугуны отличаются большой склонностью к образованию усадочных раковин, поэтому в формах устанавливают прибыли. Практи­ка производства износостойких отливок показывает, что лучше исполь­зовать верхние и боковые легкоотделяемые прибыли. Для массивных отливок применяют разделительные стержни, изготавливаемые из шамотоглинистых и хромомагнезитоглинистых смесей, что облегчает отделе­ние прибылей от отливки. При заливке литейных форм в легированные расплавы вводят противоусадочные смеси, содержащие окись алюминия, древесную муку и серебристый графит. Заливку производят с высокой скоростью.

Основной мерой для борьбы с горячими трещинами является повы­шение податливости формовочных смесей и устранение причин, затруд­няющих усадку. При производстве отливок из износостойких сплавов для увеличения податливости стержней в смесях уменьшают содержание глины, вводят древесные опилки или другие добавки до 30 %, оказывающие минимальное сопротивление усадке при высоких температурах и снижающие при нагреве прочностные свойства смесей. Высокая температура заливки расплава, используемая при изготовлении износостойких отливок, обеспечивает хорошую жидкотекучесть, но способствует образованию горячих трещин. Для снижения напряжений в отливках из белого чугуна и износостойких сталей используют сухие литейные формы, снижающие скорость охлаждения отливок, выравнивающие температуру их отдельных частей и уменьшающие механическое торможение усадки. Величина линейной усадки некоторых белых чугунов колеблется в пределах от 1,5 до 2,3 %.

Наружные и внутренние холодильники в массивных частях отливки обеспечивают выравнивание температур при ее кристаллизации и охлаждении и уменьшение напряжений.

Структурные диаграммы состояния легированных износостойких чугунов

Наличие полых пространств в литейной форме, которые уменьшают сжатие отливок, способствуют уменьшению вероятности образования трещин. Для предотвращения образования в отливках трещин необходи­мо медленно охлаждать их в форме от температуры ликвидус до 530…550 °С, что способствует выделению избыточного углерода и повышению температуры мартенситного превращения, выделению вторич­ных (комплексных) карбидов и увеличению вязкости металлической ос­новы. Структурные диаграммы состояния легированных износостойких чугунов приведены на рисунке, а-г.

Вам также могут быть интересны статьи:

Антифрикционные низколегированные чугуны Способы химико-термической и термомеханической обработки Подшипниковые материалы и технология их термической обработки Получение отливок с отбеленной поверхностью Способы получения чугунных отливок без отбела Способ объемного локального легирования отливок

(Пока оценок нет)

Загрузка...