» » Модифицирование металлических расплавов
22.04.2015

Модифицированием принято называть заметное изменение структуры твердого металла в результате специальных условий плавки или обработки расплава, достигаемое путем очень незначительного изменения или вообще без изменения состава. Модифицирование является обычно конечной операцией плавки, за которой следует заливка расплава в литейную форму. Посредством изменения структуры в процессе модифицирования улучшаются технологические и рабочие свойства металла: снижается хрупкость, улучшается его технологическая пластичность, повышаются механические свойства.
Модифицирование, как правило, означает измельчение структуры. При этом под словом структура понимают самые разнообразные черты строения литого металла. В результате модифицирования происходит измельчение макроструктуры металла и первичных кристаллов, изменение дендритного строения (измельчение дендритных ячеек), измельчение и видоизменение фаз, входящих в эвтектики, и неметаллических включений.
Модифицирование, выражающееся в измельчении макроструктуры литого металла, можно видеть на примерах измельчения зерна сталей от малых добавок бора, макрозерна алюминиевых сплавов от добавок титана и бора и макрозерна медных сплавов от добавок ванадия и бора. Примером измельчения первичных кристаллов может служить модифицирование заэвтектических силуминов при добавках фосфора.
Измельчение дендритной ячейки достигается при модифицировании сплавов системы алюминий — магний добавками бора, бериллия, кальция. Введением в жидкий чугун ферросилиция непосредственно перед разливкой удается получить эвтектику железо — графит с равномерным распределением мелких пластинок графита. Введение магния или редкоземельных металлов в жидкий чугун приводит к выделению графита не в пластинчатой, а в шаровидной форме. Добавка натрия приводит к резкому измельчению частиц кремния в эвтектике алюминий — кремний. Обработка жидкой стали кальцием и редкоземельными металлами вызывает измельчение и переход в округлую форму неметаллических включений — оксидов и сульфидов.
Как видно из перечисленных примеров, модифицирование происходит при введении в расплав особых модифицирующих добавок. Однако модифицировать металл можно вообще и без каких-либо добавок, только посредством температурно-временного и физического воздействия. В общем случае оказывается, что повышенный перегрев и последующие быстрое охлаждение и кристаллизация способны изменить строение твердого металла.
А.Г. Спасским и Б.А. Фоминым была предложена так называемая температурная обработка расплавов, состоящая в том, что расплав вначале разделяют на две части, одну из которых сильно перегревают, а другую охлаждают до температуры начала кристаллизации, после чего их смешивают и расплав заливают в форму. Эффект подобной обработки был обнаружен на широком круге сплавов Как правило, измельчаются фазы в эвтектиках, уменьшаются размеры дендритной ячейки, несколько измельчается макрозерно. Одновременно заметно возрастают показатели пластичности металла. Эффект модифицирования сохраняется при выдержке расплава до 20 мин.
Движение расплава во время кристаллизации со скоростями более 0.5 м/с вызывает заметное измельчений макроструктуры Наложение на кристаллизующийся расплав механических или ультразвуковых колебаний также приводит к измельчению макрозерна.
Относительно добавок, вызывающих модифицирование, следует сказать, что ими могут быть не только металлы и элементы, не содержащиеся в расплаве. Модифицирование чугуна с пластинчатым графитом, достигаемое присадками ферросилиция, связано лишь с введением долей процента кремния, уже имеющегося в расплаве в количестве 1,5—2,5 %. Известны способы измельчения макрозерна литого металла в результате растворения в струе расплава твердых кусков точно такого же состава. На этом явлении основана так называемая суспензионная заливка (А.А. Рыжиков и др.), при которой в струю заливаемого расплава вводят мелкую дробь того же сплава.
Таким образом, можно сделать заключение, что модифицирование охватывает чрезвычайно широкий круг явлений и процессов. Как правило, эффект модифицирования исчезает, если расплав после обработки выдерживается слишком большое время. Происходящие при этом процессы, по-видимому, могут быть совершенно различными. Наиболее ярким примером является модифицирование чугунов магнием и силуминов натрием. Эффект модифицирования проявляется до тех пор, пока в расплаве сохраняется определенный минимум этих добавок — около 0,005—0,01 %. Как только содержание летучих и легкоокисляющихся добавок становится меньше этого предела, эффект модифицирование пропадает.
Чтобы найти обоснованное объяснение сохранению аффекта модифицирования, надо полностью представить механизм этого процесса К сожалению, здесь имеется еще много неясного. Большое число видов модифицирования можно разбить на две группы.
К первой группе относятся те, в которых вводимый модификатор способен создать в расплаве тонкодисперсную и равномерно распределенную взвесь твердых частиц, могущих играть роль центров кристаллизации. Как известно из металловедения и физической химии, инородная частица может стать центром кристаллизации, если ее кристаллическая решетка в некоторых плоскостях однотипна с решеткой будущих кристаллов, а периоды решеток отличаются не более чем на 10—15 %. К модификаторам этой группы можно отнести частицы диборида титана, измельчающие макрозерно-алюминиевых сплавов, частицы фосфида алюминия, возникающие в расплаве алюминия при введении в него фосфора и служащие затравками для выпадения первичных кристаллов кремния. К этой же группе можно отнести модифицирующий эффект движения и вибрации расплава, которые, по-видимому, вызывают разрушение растущих кристаллов; обломки этих кристаллов служат затравками для новых кристаллов, в результате чего происходит общее измельчение зерна.
Вторая группа связана с затруднениями роста кристаллов, вызываемыми вводимыми добавками, вследствие чего возникает более глубокое переохлаждение и образуются новые центры кристаллизации. Все это в итоге также приводит к измельчению кристаллов. По-видимому, таково действие магния в чугунах и натрия в силуминах. He удается пока построить полную и логически ясную схему модифицирования пластинчатого графита в чугуне, дендритных ячеек в алюминиевомагниевых сплавах, модифицирования, вызываемого температурной обработкой расплавов. По всей вероятности, в этих случаях играют роль явления, связанные со строением и свойствами самой металлической жидкости.
Модифицирование, связанное с введением добавок в расплав, выполняется обычными приемами. Обязательным является оценка свойств этих добавок. Необходимо знать температуру плавления и кипения добавки, ее плотность, возможное взаимодействие с газами, шлаками, флюсами и футеровкой. Особенно важно обеспечить равномерное распределение добавки во всем объеме расплава, что связано со значительными трудностями, так как количество модифицирующих добавок обычно не превышает 0,1—0,15 % от массы расплава, а вводят их либо в печи в самом конце плавки, либо в разливочном ковше, а то и в литейной форме.