«Фирам-процесс» - метод тонкой очистки металлических расплавов в литниковых системах.

(К.т.н. В.И. Фундатор, д. т. и. Л. И. Леви, инж В. В. Серебряков, инж Л. 3. Киселев, инж Г. Г. Аб­рамов, Доклад на 43-м Международном конгрессе литейщиков в Бухаресте, ж "Литейное производ­ство" №11, 1976 г.)

Эффективный метод улучшения качества отливок - создание непосредственно в литниковой системе фильтрующего узла, способного обеспечить тонкую очистку протекающего металлического расплава от неметаллических включений экзо- и эндо­генного происхождения.

До последнего времени в качестве литейных фильтров используются песчаные или кера­мические сетки, устанавливаемые в литниковых чашах или нижележащих элементах системы. С их помощью удается отделить от расплава грубые, главным образом шла­ковые, экзогенные неметаллические включения. Известны и комбинированные фильт­ры более сложной конструкции (металлические с огнеупорным покрытием, металлокерамические, из стеклоткани и др.). При изготовлении отливок и слитков из некото­рых цветных сплавов жидкий металл пропускают через слой кусковых или зернистых материалов. Известны промышленные способы очистки металлических расплавов за счет пропускания их через слой расплавленного синтетического шлака или флюсов.

В результате исследований на основе разработанной в СССР теории и методики гидромоделирования литниковых систем было установлено, что 90-95% всех вноси­мых в первую струю моделирующей жидкости имитаторов неметаллических включе­ний проходит через пустую литниковую систему в модель отливки.

Недостатки известных литниковых систем обусловлены развитой турбулентно­стью потока, особенно в начале заливки. Устранить это можно двумя путями: обеспе­чив медленное (с Re < 1500 - 2000) продвижение фронта расплава по каналам литни­ковой системы к полости формы до полного запирания системы расплавом (после­дующее резкое возрастание линейных скоростей потока, Re = 25000 - 100 000, уже не восстанавливает его развитую турбулентность); дроблением потока на большое коли­чество элементарных струек в зоне с наивысшим значением Re (последующее движе­ние объединенного потока через гидравлический запор не приводит к развитию турбу­лентности)

В основу настоящей работы методом моделирования было положено второе направление. Исследованием различных сетчатых и щелевых литейных фильтров с учетом их расположения в литниковой системе было установлено, что с уменьшением размера ячей­ки или ширины щели эффективность действия фильтра существенно возрастает. Вме­сте с тем сокращение проходного сечения ячейки ограничено поверхностным натяже­нием и кинематической вязкостью расплава, а также технологически допустимым пе­регревом. Дополнительные ограничения на минимальный размер ячейки накладывают свойства самого фильтра (смачиваемость его расплавом, термомеханическая проч­ность и т. п.).

Поиск соответствующего материала для литейного фильтра тонкой очистки высокотемпературных литейных сплавов и оптимальной конструкции фильтров привел к созданию и промышленному внедрению в странах СНГ новой технологии заливки форм - "фирам- процесса".

Для фильтрующего узла, расположенного в литниковой системе, было отобрано стекловолокно с низкой теплопроводностью и высокой химической и термической стойкостью после специальной селективной химической обработки. Оказалось, что различия в типе переплетения нитей в ткани даже при прочих одинаковых текстиль­ных параметрах дают существенное различие в скорости и чистоте фильтрования. Причем чем выше скорость фильтрования, тем меньше влияет чистота фильтрата. Ис­следования показали, что, например, для керамического фильтра при напоре 230-520 мм преобладает сопротивление, введенное фильтром. У тонких фильтров из огне­упорных нитей собственное сопротивление мало и поэтому в указанном интервале на­поров не сказывается на удельном расходе.

На рис. 1 приведена схема установки для определения предела термомеханиче­ской прочности фильтра 9 по времени его непосредственного контакта с жидким чугу­ном при заданных параметрах: напоре Н, площади контакта S, температуре заливки Т₃. При этом Н = 400 мм (высота столба металла от его зеркала до уровня фильтра) обес­печивал при S =192 см² и Т₃ = 1330 - 1380°С средний расход чугуна Q = 29-44 кг/с при свободном истечении без сопротивления. Пробка 2 стабилизировала уровень металла в чаше 1 в течение всей заливки и как следствие постоянство траектории струи. Момент извлечения из чаши 1 пробки 2 слу­жит сигналом для замыкания контакта в цепи электросекундомера 5. В момент раз­рушения фильтра проходное сечение его увеличивается и обусловливает мгновенный рост расхода через сливное отверстие 3 (его сечение превышает аналогичный показа­тель любого из пяти испытанных фильтров). В результате скачкообразного отклонения струя воздействует на рычаг 6 НЗ контактов 4 и останавливает электросекундомер. Длительность пропускания металла от 62 до 112 с. При Н = 400 мм средний расход чу­гуна Q = 17-26 кгс/с. Установлено, что в зависимости от конструкции литейного фильтра, Н, Т₃ чугуна, длительности фильтрования, способа подвода чугуна и др. термомеханиче­ская прочность меняется в широких пределах. В проведенных исследованиях оказа­лось возможным подвергать фильтрованию до 2500 кг чугуна через металлоприемник 7 в форму 8.

Большое внимание было уделено также выявлению характера и степени влия­ния указанного процесса на структуру и свойства чугуна. Для чугунов марок СЧ 21-40 и 28-48 исследовали изменение химического состава, физико-механических свойств макро- и микроструктуры; содержания экзо- и эндогенных неметаллических включе­ний, содержания N, Н и О, структурно-чувствительных и технологических свойств.

Исследования показали, что тонкое фильтрование практически не сказывается на изменении содержания основных компонентов чугуна, однако содержание S снижа­ется на 6-16%, а связанного углерода увеличивается на 4-10%. Общее содержание газов снизилось: Н₂ на 25%, O₂ на 30% и N на 25 %. Эффект дегазации тем выше, чем большим было начальное содержание газов в фильтруемом чугуне.

Методами химического и микроскопического анализов определяли изменение содержания неметаллических включений до и после фильтрования. Известно, что 1 см³ серого чугуна ваграночной плавки может содержать до 50 млн. оксидных, суль­фидных и карбонитридных включений ~ 0,2 - 1,0 мкм. Кроме них и графита, в чугуне содержатся включения различной природы значительно меньшего и большего размера. Общее содержание включений в чугуне после фильтрования снизилось в зависимости от типа фильтра и других условий на 18 - 68%: сульфидов - на 30-70%, карбонитридов - на 20 - 60%, силикатов - на 20 -70 %; заметно уменьшился максимальный размер всех включений, оставшихся в чугуне после фильтрования.

Наибольшее влияние на уменьшение содержания силикатов оказали сетчатые фильтры. В чугуне до фильтрования были обнаружены силикаты размером до 1,9 мкм, после фильтрования размер самых крупных силикатов не превышает 1,2 мкм. При изучении неметаллических включений (х1440), наименьший размер определяемых включений 0,5 мкм_: На долю оксидов размером от 0,2 до 1 мкм приходится ~ 70% об­щего количества силикатов, значительно больше того, которое можно было обнару­жить и проанализировать. В нефильтрованном чугуне силикаты обычно располагались группами, после фильтрования они распределились более равномерно. Микроскопи­ческие исследования структуры чугуна показали положительное влияние фильтрова­ния на величину и характер распределения графита. Наибольшая длина графитовых включений после фильтрования уменьшилась ~ на 10-25 %. Размер и площадь, зани­маемая на шлифе графитом до и после фильтрования, соответствовали одному баллу. Фильтрование немодифицированного серого чугуна привело к изменению формы включений графита от пластинчатой прямолинейной в сочетании со среднезавихренной до полностью среднезавихренной. Дисперсность перлита в чугуне изменялась от 0,6 в исходном до 0,3 мкм и менее после фильтрования. Эффект улучшения мик­роструктуры усиливается с уменьшением размера ячейки фильтра.

Одновременно было установлено значительное уменьшение площади отдель­ных включений фосфидной эвтектики (без изменения характера ее распределения).

Макроструктуру чугуна до и после тонкого фильтрования изучали визуально и бинокулярным исследованием изломов образцов литниковых систем (х16), и общеиз­вестным методом Баумана. Исследования изломов экспериментальных отливок и мак­рошлифов литниковых систем показали, что все изучавшиеся типы литейных фильтров эффек­тивно задерживают шлаковые, песчаные и газовые включения. Исследования макро­структуры со снятием серного отпечатка по Бауману позволили выявить значительное скопление сернистых включений над и под фильтром.

Поверхностное натяжение и плотность чугуна определяли методом максималь­ного давления в газовом пузырьке на специальной установке. Принятое на этой уста­новке крепление индикатора позволило определить глубину его погружения с точно­стью 0,01 мм. Максимальное давление измеряли на глубинах 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 см. Полученные данные обрабатывали методом наименьших квадратов и построением кривой Р =f(h). Плотность жидкого чугуна характеризовалась tg наклона кривой к оси абсцисс и давлением при нулевом погру­жении p₀. Величину поверхностного натяжения рассчитывали методом последовательных приближений с использованием таблиц Башфорта и Адамса на ЭВМ. Априорная ошибка определения величины поверхностного натя­жения составляла ±1,5%. Влияние температу­ры на поверхностное натяжение и плотность чугуна исследовали при 1350-1600°С как при нагреве, так и при охлаждении.

Из рис. 2 следует, что поверхностное натяжение фильтрованного чугуна б и в намного выше, чем нефильтрованного а, что связано, по-видимому, со снижением в чугуне содержания поверхностно-активных примесей (S, О и др.).

Коэффициент кинематической вязкости чугунов до и после фильтрования при 1250-1600°С при нагреве и охлаждении определяли методом крутильных колебаний тигля с расплавом. При каждой температуре проводили не менее трех измерений, по которым определяли средние величины. На рис. 3 представлены полученные резуль­таты (а - чугун до фильтрования; в - после фильтрования; 1 - при нагреве; 2 - при охлаждении). Фильтрование приводит к значительному снижению вязкости чу­гуна, что можно объяснить уменьшением содержания в нем неметаллических включе­ний и газов, а также обнаруженными изменениями в микроструктуре. Как и у других гетерогенных расплавов, имеется значительный отрицательный гистерезис вязкости, который несколько больше у фильтрованного чугуна, что, видимо, связано с различ­ным содержанием и различными размерами нерастворившихся блоков графита при одной температуре в режиме нагрева и охлаждения. Кроме того, меньшая вязкость может быть вызвана и удалением части неметаллических включений при выдержке чугуна.

Термографический анализ показал, что разработанный процесс фильтрования существенно изменяет начальную температуру затвердевания, как и следовало ожи­дать. В чугуне, не подвергнутом фильтрованию, твердая фаза начала выпадать при 1270 °С, а в отфильтрованном чугуне - при 1255 °С. Установлено, что во всех случа­ях тонкое фильтрование приводит к повышению показателей, характеризующих проч­ность чугуна. Наиболее полно это выразилось в увеличении показателя качества, кото­рый в зависимости от условий фильтрования возрастал до 55%, при этом чугун по сво­им свойствам переходил в более высокую марку.

Большое прикладное значение имеет влияние разработанного процесса на технологические свойства серого чугуна: отбел, длительность сохранения эффекта модифицирования, обрабатываемость режущим инструментом, свариваемость, изотроп­ность структуры отливок. Исследования показали, что при прочих равных условиях, жидкотекучесть чугуна ваграночной плавки после фильтрования повышается на 10-12% . Одновременно улучшается и формовоспроизводимость (на 8-10%). Подоб­ный характер изменения жидкотекучести после фильтрования хорошо согласуется с изменением величины кинематической вязкости, поверхностного натяжения и сниже­нием гетерогенности расплава.

Установлено, что в большинстве случаев фильтрование вызывает некоторое увеличение отбеленной зоны, особенно у немодифицированного чугуна. Тонкое фильтрование заметно увеличивает время сохранения эффекта модифицирования как чугуна, так и силумина.

Отливки из чугуна и других сплавов, подвергнутых тонкому фильтрованию, лучше обрабатываются всеми видами режущего инструмента, а износ их режущей час­ти значительно ниже.

Например, при производстве 150-200 кг литых корпусов электродвигателей из серого чугуна в песчаные формы производительность металлообрабатывающих станков увеличилась на 6-8 %, что полностью согласуется с данными анализа неме­таллических включений до и после фильтрования. Количество включений с вы­сокой твердостью и абразивно действующих на режущую часть инструмента после фильтрования снижается на 50 %. При этом уменьшается размер включений, остав­шихся в отливках.

Заметно улучшились условия свариваемости при исправлении дефектов отли­вок заваркой. Меньшая гетерогенность структуры и большая ее чистота снижает риск получения вторичных дефектов в процессе сварки, пайки и заварки. Установлено, что изготовленные с применением тонкого фильтрования прутки для заварки дефектов от­ливок более плотные и лучшего качества, что практически предотвращает образование газовой пористости в местах заварки.

Отливки из чугуна, подвергнутые тонкому фильтрованию, характеризуются большей изотропностью структуры, что было установлено при сравнительном иссле­довании структуры поршневых колец, отлитых в производственных условиях из чугу­на с пластинчатым и шаровидным графитом. После фильтрования в изломе колец не было дефектов, структура их характеризовалась высокой степенью однородности, от­сутствием выделений структурно-свободного цементита и более высокой дисперс­ностью перлита. Не было и выделений структурно-свободного феррита. Включения фосфидной эвтектики измельчались. В результате брак поршневых колец уменьшился, их упругие свойства повысились. Аналогичные результаты были отмечены и на других типах отливок (корпуса вакуумных насосов, компрессорное литье и т.д.).

Исследование и сравнение различных способов подвода жидкого чугуна к фильтру при его различном расположении в литниковой системе: горизонтально (сверху перпендикулярно и касательно поверхности фильтра) и вертикально, с каса­тельным подводом металла к поверхности фильтра, показало, что нет единственного универсального варианта подвода жидкого чугуна к фильтру для одновременной оптимизации всех показателей; каждый из исследованных вариантов подвода спо­собствует улучшению только определенной группы факторов и поэтому выбор конст­рукции узла фильтрования должен осуществляться дифференцированно, в зависимо­сти от конструкции отливок и конкретных условий и требований производства.

Исследования влияния Т₃ = 1360, 1310 и 1270 с подводом металла к образцу си­фоном показали, что снижение температуры заливки не сказалось на изменении хими­ческого состава, содержании примесей, газов и неметаллических включений.

Вместе с тем снижение Т₃ привело к ощутимому увеличению длины включений графита, уменьшению дисперсности перлита и увеличению площади включений фос­фидной эвтектики.

Результаты исследований были подтверждены практикой различных предпри­ятий для большой и разнообразной номенклатуры отливок.

Применение последовательно замкнутых литниковых систем снижает возмож­ность возникновения вакуумных зон и способствует удержанию в литниковой системе шлаковых и других включений. Однако, в условиях реального производства не всегда возможно обеспечить монтаж на модельных плитах таких литниковых систем, и реко­мендуемые литературой соотношения между поперечными сечениями элементов замкнутой литниковой системы не выдерживаются. Часто суммарное сечение питате­лей гораздо больше сечения стояка или шлакоуловителя, литниковая система оказыва­ется незамкнутой и, как следствие, работает неудовлетворительно. Все это приводит к увеличению брака отливок по неметаллическим включениям, газовой пористости и др. Применение разработанных фильтров в подобных литниковых системах позволяет весьма эффективно разрешить это противоречие. В результате проведенных иссле­дований и производственного опыта разработаны ТУ на материалы фильтров, техно­логические инструкции, нормали литниковых систем, оборудование для подготовки фильтров требуемых размеров и конструкции и др. Наибольшее применение процесс получил при изготовлении чугунных отливок до 2,0 т на заводе «Станколит». Конструкции литниковых систем по сравнению с ранее применявшимися упрощены и зна­чительно уменьшен их вес. Оказалось возможным также увеличить металлоемкость форм за счет увеличения в них количества отливок. Разработанный процесс наряду с высоким коэффициентом полезного действия легко внедряется независимо от принятого в конкретных условиях способа литья.

Накопленный опыт показал, что новая технология заливки форм при ее промышленном использовании позволяет получить значительный экономический эффект за счет: сокращения потерь от брака литья по вине заливки (на станкостроительных заводах этот брак снизился в 2-8 раз); повышения плотности и герметичности отли­вок, большей коррозионной стойкости, стабильности структуры и других эксплуата­ционных качеств, связанных со специфическими условиями службы; уменьшения рас­хода жидкого металла на литниковую систему (для чугунного литья на 30 - 40%); снижения трудоемкости изготовления формы путем ликвидации более дорогих стерж­невых или керамических фильтровальных сеток; удешевления модельной оснастки в результате упрощения конструкции литниковой системы; снижения трудозатрат по разделке возврата литниковых систем в связи с легкостью их механического разделе­ния в месте расположения фильтра, повышения производительности металлорежущего оборудования и снижения расхода инструмента при обработке отливок.

«Фирам-процесс» используется на многих предприятиях при изготовлении от­ливок из обычного серого, модифицированного и высокопрочного чугуна, бронз, алю­миниевых и других сплавов. При этом обеспечивается улучшение литейных свойств, уменьшение окончательного и исправимого брака, увеличение выхода годного, улучшение механических и эксплуатационных свойств сплавов.

Себестоимость годных отливок снижается.

Вернуться в раздел "Техническая информация"