Модификаторы магний содержащие
Магнийсодержащие модификаторы (сфероидизирующие лигатуры) представляют собой многокомпонентные сплавы на основе железа, кремния, никеля или меди, легированные магнием в количестве от 3 до 25% и предназначенные для внепечной обработки жидкого чугуна с целью получения шаровидной (глобулярной) формы графита. Именно сфероидизация графита обеспечивает скачкообразный рост механических свойств: временное сопротивление разрыву повышается с 200–250 МПа (серый чугун) до 400–800 МПа (высокопрочный чугун с шаровидным графитом, ВЧШГ), относительное удлинение — с долей процента до 7–22%.
Стандартная технологическая схема включает введение модификатора в ковш с расплавом чугуна, имеющим температуру 1360–1500 °C, с последующей заливкой форм в течение времени живучести модифицирующего эффекта. Отклонение от регламентированных параметров по температуре, навеске или времени заливки ведёт к неполной сфероидизации графита и, как следствие, к браку отливок по микроструктуре и механическим свойствам.
Классификация магнийсодержащих модификаторов
Магнийсодержащие лигатуры подразделяются на два принципиально различных класса — «лёгкие» и «тяжёлые». Критерием классификации служит плотность сплава относительно плотности жидкого чугуна.
Лёгкие лигатуры на основе ферросилиция (ФСМг)
Базовым и наиболее массовым представителем данной группы является ферросиликомагний — сплав магния (3–10%), кремния (40–55%), железа (остальное) с дополнительным вводом кальция, редкоземельных металлов (РЗМ) и алюминия в заданных пропорциях. Плотность ФСМг составляет 1,4–1,6 т/м³, температура плавления — около 1210 °C.
Промышленность выпускает широкую номенклатуру марок, различающихся по содержанию магния и дополнительных элементов:
ФСМг с 4–6% Mg — наиболее распространённая группа для стандартного ковшевого модифицирования. Пониженное содержание магния уменьшает пироэффект и химическую активность, повышая степень усвоения при использовании низкосернистых шихтовых материалов.
ФСМг с 6–9% Mg — применяется при обработке чугуна с повышенным содержанием серы и в случаях, когда требуется компенсировать потери магния в крупных ковшах.
ФСМг с 10–25% Mg — специализированные марки для внутриформенного модифицирования и толстостенных отливок, где замедленное затвердевание требует повышенного содержания активного магния.
Роль дополнительных элементов в составе ФСМг:
Церий и РЗМ. Нейтрализуют вредное влияние примесных элементов (сурьмы, свинца, висмута, титана), которые могут блокировать формирование шаровидного графита даже в присутствии достаточного количества магния. При использовании высокочистых шихтовых материалов введение РЗМ не требуется, что удешевляет модификатор без потери эффективности.
Кальций. Уменьшает химическую активность магния, снижая дымовыделение и пироэффект. Способствует зародышеобразованию и частично компенсирует карбидостабилизирующее действие магния. Оптимальное содержание — 0,8–2,0%; для внутриформенного модифицирования, где нежелательно образование шлака, содержание кальция снижают до 0,2%.
Алюминий. Вводится в ограниченных количествах (до 1,0%), способствует минимизации газообразования при затвердевании отливки.
Тяжёлые лигатуры (никелевые, медные и комбинированные)
Тяжёлые магнийсодержащие лигатуры имеют плотность, сопоставимую с плотностью жидкого чугуна или превышающую её, что исключает проблему всплывания частиц и обеспечивает более высокое и стабильное усвоение магния. Основу таких лигатур составляют медь, никель или их комбинация, с содержанием магния 14–19%.
Никель-магний-РЗМ лигатура. Наиболее широко распространённая тяжёлая лигатура. Характеризуется сравнительно низким пироэффектом и относительно высокой температурой плавления (солидус ~1095 °C, ликвидус 1117–1145 °C). Недостатком является высокая стоимость, обусловленная биржевой ценой никеля.
Медь-магний-РЗМ лигатура. Вторая по распространённости после никелевой. Температура плавления существенно ниже (солидус ~725 °C, ликвидус 790–864 °C), что обусловливает значительный пироэффект при растворении. Усвоение магния несколько хуже, чем из никелевой лигатуры, поэтому расход на 10–20% выше. Медь, переходящая из лигатуры в чугун, выполняет роль перлитизатора и легирующей добавки, что исключает необходимость раздельного введения меди в печной состав.
Железо-кремний-медь-магний-РЗМ лигатура. Комбинированная «тяжёлая» лигатура, сочетающая элементы как лёгких, так и тяжёлых систем. Позволяет регулировать плотность и температуру плавления сплава вариацией соотношения компонентов.
Способы введения и фракционный состав
Технология введения модификатора в расплав является таким же критичным фактором, как и его химический состав.
Ковшевое модифицирование (открытый ковш). Навеска модификатора фракции 1–10 мм размещается на дне ковша перед выпуском металла из печи. Расход ФСМг составляет 1,0–1,8% от массы обрабатываемого чугуна. Массовая доля остаточного магния в отливке при расходе 1,6% и усвоении 41–49% достигает 0,03–0,05%.
Сэндвич-процесс (ковш с карманом). Модификатор загружается в специальный карман на дне ковша и накрывается стальной высечкой или графитовой пластиной. Металл поступает сверху, и контакт модификатора с расплавом начинается с задержкой, что повышает усвоение магния до 60–75%.
Внутриформенное модифицирование. Модификатор фракции 0,2–3 мм размещается в реакционной камере литниковой системы. Временной интервал от растворения до начала кристаллизации отливки сокращается до секунд, что обеспечивает максимальный эффект при минимальном расходе (0,4–0,9% от массы металла). Требуются марки модификатора с особо низким содержанием кальция во избежание зашлаковывания камеры.
Контроль качества
Каждая партия магнийсодержащего модификатора сопровождается документом о качестве с указанием:
массовых долей Mg, Si, Ca, Al, РЗМ;
гранулометрического состава;
номера плавки и даты изготовления.
При входном контроле проверяются:
соответствие химического состава заявленному (методом рентгенофлуоресцентного анализа);
гранулометрический состав — рассев на ситах для исключения избытка подрешётной пылевидной фракции, которая выносится конвективными потоками, не достигая расплава;
содержание MgO в готовом продукте. Качественные модификаторы имеют содержание MgO не выше 0,5–0,8%. Повышенное содержание оксида магния указывает на окисление лигатуры при производстве или хранении и ведёт к снижению степени усвоения активного магния.
Срок хранения модификаторов в герметичной заводской упаковке — 12 месяцев с даты изготовления. Хранение осуществляется в крытых складских помещениях, исключающих контакт с влагой.
Стоимость
Цена магнийсодержащего модификатора определяется следующими факторами:
типом лигатуры (лёгкая ФСМг — нижний ценовой сегмент; тяжёлая никелевая — верхний ценовой сегмент; медная занимает промежуточное положение, в 3–4 раза дешевле никелевой в зависимости от конъюнктуры рынка никеля);
содержанием магния и дополнительных элементов;
фракционным составом;
объёмом поставки.