Badania nad modyfikatorami żeliwnymi polegają na tym, że przed zalaniem ciekłego żelaza, w określonych warunkach (takich jak odpowiednia temperatura przegrzania, skład chemiczny, odpowiednia metoda dozowania itp.), do ciekłego żelaza dodaje się określoną ilość substancji (modyfikatora), aby zmienić proces krzepnięcia ciekłego żelaza, poprawić strukturę odlewu i tym samym osiągnąć cel, jakim jest poprawa jego właściwości. Nazywa się to modyfikacją.
Tę zmianę w sposobie szczepienia często trudno wytłumaczyć subtelnymi zmianami w składzie chemicznym. W produkcji przemysłowej modyfikatory są szeroko stosowane, ale ich efektywne wykorzystanie wciąż wymaga badań. Niniejszy artykuł podsumowuje i analizuje sposób szczepienia żeliwa poprzez analizę literatury. Poniżej przedstawiono szczegółowe informacje na temat badań nad modyfikatorami żeliwa.
I. Efekt modyfikacji pierwiastków w powszechnie stosowanych modyfikatorach żeliwnych
(1) Si może promować grafityzację, z jednej strony zwiększając zawartość ferrytu, a z drugiej strony wzmacniając ferryt. Często jest stosowany razem z Ca w celu wzmocnienia efektu, a jego zawartość jest zazwyczaj dobierana w zakresie ωSi = 2.6%–3.2%.
(2) Wapń jest zwykle stosowany razem z Si, a odpowiednia temperatura wynosi 1370~1430℃, jednak nadmierne dodawanie może powodować wady w postaci żużla.
(3) Ba może hamować rozkład szczepionki i zwiększać ilość ferrytu. Żelazokrzem zawierający Ba nie tylko charakteryzuje się dobrą odpornością na rozkład, ale jest również skuteczny w zapobieganiu powstawaniu żeliwa białego.
(4) Al może skutecznie wspomagać grafityzację, ale łatwo powoduje powstawanie porów podskórnych. Często stosuje się go w połączeniu z ferrokrzemem w celu poprawy efektu.
(5) Mn ma działanie wspomagające tworzenie perlitu. Działa dobrze w połączeniu z azotem. Może obniżyć temperaturę topnienia szczepionki (seria Zr). Zwykle wybiera się ωMn = 0.2%–0.4%.
(6) RE ma duży wpływ na jego działanie. Przy zawartości ωS = 0.035%~0.1% w stopionym żelazie, efekt jest lepszy. Może on rafinować grafit i hamować powstawanie żeliwa białego.
(7) Sr ma działanie hamujące żeliwo białe i wspomagające grafityzację. Jego skuteczność jest słaba w obecności pierwiastków Ca i Ce. Do żeliwa szarego stosuje się modyfikator Fe-Si-Sr. Efekt jest dobry, gdy ωS < 0.05%.
(8) Zr może wspomagać grafityzację. Modyfikator Fe-Si-Zr jest trudno rozpuszczalny i zapobiega powstawaniu porów azotowych. Pierwiastek Mn ma pewien wpływ wspomagający jego rozpuszczanie.
(9) Bi zwiększa liczbę grudek grafitu, zmniejsza tendencję żeliwa białego do tworzenia się ferrytu, zwiększa zawartość ferrytu w osnowie i często działa w połączeniu z Fe-Si, aby rozdrobnić ziarna. Ponadto modyfikator Bi-Cu może sprzyjać wzrostowi rdzenia grafitowego podczas wyżarzania.
2. Dobór skutecznych elementów szczepionki
1. Ogólne zasady selekcji
(1) Elementy modyfikujące skutecznie zapobiegające powstawaniu żeliwa białego to: Ba, RE, Sr., Si.
(2) Pierwiastkami modyfikującymi, które skutecznie wspomagają grafityzację są: Ba, Ca.
(3) Pierwiastkami, które mogą hamować lub spowalniać zanikanie szczepionki są: Ba, Ca, RE.
(4) Pierwiastkami sprzyjającymi wtapianiu się szczepionki w stopione żelazo są: Mn, Mg.
2. Zasady selekcji specjalnej
(1) Aby zapobiec pęknięciom w dużych, grubościennych odlewach szarych, można zastosować stop krzemu, żelaza i magnezu ziem rzadkich. Jego skład wynosi ωRE = 13.24% ~ 13.69%, ωMg = 12.76% ~ 13.11%, ωSi = 38% ~ 44%, ωCa < 4%, a ilość dodatku wynosi 0.25%.
(2) Do produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego ferrytycznego można zastosować modyfikator FeSi72. Wielkość cząstek wynosi 2–6 mm, a ilość dodatku wynosi 1.5%. Jednocześnie do modyfikacji wzmacniającej kompozyt dodaje się 0.16% czystego aluminium, co zapewnia lepszy efekt.
(3) Aby zapobiec zakażeniu i zanikowi żeliwa ciągliwego, w pierwszym szczepieniu można dodać FeSi75 o wielkości cząstek 3~8 mm. W drugim szczepieniu dodana wielkość cząstek wynosi 0.5~2 mm, a w trzecim szczepieniu stosuje się metodę proszkową, a ilość dodatku wynosi 0.3%~1%.
(4) W przypadku żeliwa o dużej zawartości węgla i wysokiej wytrzymałości można wybrać modyfikator o zawartości tytanu od 0.08% do 0.15%. W przypadku cienkościennych odlewów z żeliwa szarego o wysokiej zawartości węgla należy wybrać modyfikator ze stopu pierwiastków ziem rzadkich krzemu i baru, który może zmniejszyć tendencję żeliwa białego, zmniejszyć twardość odlewu i zapobiec zanikowi modyfikacji. Efekt jest dobry, a ilość dodawanego modyfikatora wynosi od 0.3% do 1%.
(5) Modyfikator RE-Si ma silne właściwości eliminujące białe żeliwo, ale ma większą tendencję do tworzenia przechłodzonego grafitu typu D i E, co utrudnia zmniejszenie twardości odlewu. Modyfikator Si-Ba ma silne właściwości eliminujące przechłodzony grafit typu D i E oraz sprzyjające tworzeniu grafitu typu A. Dlatego oba modyfikatory stosuje się razem, aby uzyskać dobry efekt.
(6) Zawartość siarki w stopionym żelazie ma duży wpływ na proces modyfikacji. W stopionym żelazie o wysokiej zawartości siarki, zazwyczaj stosuje się modyfikatory grafitowe (np. ze złomu elektrodowego) i N (np. Fe-Mn-N), co zapewnia dobre rezultaty; w stopionym żelazie o niskiej zawartości siarki, dobre rezultaty uzyskuje się modyfikatory Ce, Ca, Ba i N (np. RE-Si, Ca-Si-Ba, Fe-Mn-N i Ca-Si-Sr).
3. Ilość dodanego szczepionki
(1) Żeliwo sferoidalne wymaga na ogół więcej modyfikatora niż żeliwo szare.
(2) Jeżeli szczepionka jest wlewana przez dłuższy czas po szczepieniu, należy zwiększyć jej ilość ze względu na spadek szczepienia.
(3) Odlewy cienkościenne są podatne na powstawanie białych plam, dlatego należy odpowiednio zwiększyć ilość dodawanego środka modyfikującego.
(4) Jeśli w stopionym żelazie znajduje się duża ilość żużla, szczepionka będzie zwinięta i trudna do stopienia po zetknięciu z żużlem, dlatego należy odpowiednio zwiększyć dodawaną ilość.
(5) Nadmierna ilość modyfikatora może powodować problemy, takie jak nadmiar żużla, niższa temperatura stopionego żelaza oraz jamy skurczowe spowodowane przez komórki eutektyczne. Zbyt duża ilość modyfikatora nie będzie w stanie równomiernie zaszczepić stopionego żelaza, a niestopiony modyfikator zostanie wlany do wnęki formy; zbyt mała ilość modyfikatora łatwo ulegnie utlenieniu, tworząc żużel, a także może prowadzić do zaniku szczepienia.
(6) Środek modyfikujący stosowany w metodzie szczepienia przepływowego jest stosunkowo niewielki, na ogół 0.2–0.8 mm, a dodawana ilość wynosi 0.05%–0.2%; wymagany rozmiar bloku środka modyfikującego w formie powinien wynosić ≤0.25 mm, a dodawana ilość ≤0.1%;
Rozmiar bloku dodawany w przypadku innych metod szczepienia wynosi na ogół 1~10 mm, a dodawana ilość wynosi 0.1%%~0.8%.
4. Temperatura zabiegu inokulacyjnego i badanie jej wpływu
Teoretyczna temperatura eutektyczna grafitu wynosi 1153℃ + 6.7×Si%. Jeżeli teoretyczna temperatura eutektyczna grafitu jest wyższa od rzeczywistej minimalnej temperatury eutektycznej nieszczepionego stopionego żelaza o 20–40℃, zazwyczaj konieczne jest przeprowadzenie zabiegu szczepienia.
Zatem głównym celem badań nad modyfikatorami żeliwa jest ocena wpływu modyfikacji żeliwa poprzez pomiar właściwości mechanicznych i fizycznych odlewów. Należy również przeanalizować strukturę metalograficzną odlewów, aby określić optymalny sposób modyfikacji.
