Отливки из чугуна и стали : модифицирование чугуна для получения шаровидной формы графита

 
 
Электростальский политехнический институт (филиал МИСиС) 

Е.В. Ковалевич 

 

 

 

 

 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института в качестве 
учебного пособия 

ОТЛИВКИ ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 
ШАРОВИДНОЙ ФОРМЫ ГРАФИТА 

Учебное пособие 

для студентов специальности 1104

МОСКВА 2001

 

УДК 669.31.622 
К56 

К56 
Ковалевич Е.В. Отливки из чугуна и стали: Модифицирование чугуна для получения шаровидной формы графита: Учеб. 
пособие.– М.: МИСиС, 2001. – 50 с. 

Пособие написано в соответствии с программой курса «Отливки из чугуна и стали». В нем рассмотрен механизм сферолитной 
кристаллизации графита, а также наиболее распространенные модификаторы, применяемые для получения чугуна с шаровидным графитом, их достоинства и недостатки. Показаны разнообразные способы модифицирования чугуна с целью получения шаровидной 
формы графита и технологическое оборудование, необходимое для 
его осуществления. На основе анализа существующих способов модифицирования показаны пути совершенствования процесса модифицирования. Приведены теоретические основы модифицирования 
чугуна мелкодисперсными композициями. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 1104 «Литейное производство черных и цветных металлов». 

 Московский государственный 
институт стали и сплавов (МИСиС) 
(Технологический университет), 2001 
Электростальский политехнический 
институт (филиал МИСиС), 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ................................................................................................. 4 
1. Гипотезы сферолитной кристаллизации графита в чугуне ........... 5 
2. Способы получения чугуна с шаровидным графитом ................... 7 
2.1. Магний – основной сфероидизирующий элемент ................. 7 
2.2. Модифицирование чугуна с помощью колокола ................. 10 
2.3. Модифицирование 
чугуна 
в 
герметизированных 
ковшах ..................................................................................... 17 
2.4. Модифицирование чугуна в автоклавах ............................... 20 
2.5. Модифицирования чугуна способами непрерывной 
подачи модификатора ............................................................ 21 
2.6. Модифицирование 
чугуна 
магнийсодержащими 
лигатурами .............................................................................. 27 
2.7. Внутриформенное модифицирование чугуна ...................... 31 
2.8. Другие способы модифицирования чугуна .......................... 33 
3. Анализ существующих способов получения чугуна с 
шаровидным графитом .................................................................. 35 
4. Теоретические 
основы 
модифицирования 
чугуна 
мелкодисперсными модификаторами (МДС-процесс) ............... 39 
Литература ........................................................................................... 49 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом – сравнительно новый конструкционный материал, однако благодаря уникальным сочетаниям технологических и эксплуатационных свойств 
за короткое время завоевал признание и широкое распространение во 
всем мире, успешно конкурируя со сталью.  
Чугун с шаровидным графитом был создан в результате исследовательских работ, проводимых в Англии, США и СССР в период 1948–1950 г. Большой вклад в разработку теории сферолитной 
кристаллизации графита в чугуне, изучение влияния основных физико-химических и металлургических факторов, а также механизма 
кристаллизации графита и металлической основы в чугуне внесли 
советские ученые литейщики и металловеды: Н.Н. Александров, 
И.И. Богачев, 
К.П. Бунин, 
К.И. Ващенко, 
М.В. Волощенко, 
Н.Г. Гиршович, 
А.А. Горшков, 
И.С. Григорьев, 
А.А. Жуков, 
Д.П. Иванов, 
А.Е. Кривошеев, 
Н.И. Клочнев, 
А.Ф. Ланда, 
Б.С. Мильман, 
Г.П. Писаренко, 
А.А. Рыжиков, 
П.Н. Степин, 
Ю.Н. Таран и др. 
Благодаря их работам создано несколько гипотез сферолитной кристаллизации графита в чугуне, достаточно хорошо изучены 
технологические конструкционные и эксплуатационные свойства чугуна с шаровидным графитом, разработаны модификаторы, обеспечивающие получение графита шаровидной формы в чугунах различного состава при разных производственных условиях. 

1. ГИПОТЕЗЫ СФЕРОЛИТНОЙ 
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ГРАФИТА В 
ЧУГУНЕ 

Понимание сущности структурообразования в чугуне с шаровидным графитом не только представляет теоретический интерес, 
но и является важнейшей предпосылкой дальнейшего совершенствования технологии получения высокопрочного чугуна и улучшения 
его свойств. 
В СССР и за рубежом проведена большая работа по исследованию механизма образования шаровидного графита на основе общих законов кристаллизации с учётом специфики их проявления при 
кристаллизации графита в чугуне и других сплавах. Было опубликовано множество гипотез по этому вопросу, однако в основном они 
могут быть сведены к следующим: 
1. Cфероидизирующие вещества присадок оказывают прямое 
влияние на процесс образования шаровидного графита из-за: 
− 
образования на растущем включении графита плёнок или 
оболочек с высокой концентрацией сфероидизирующего 
вещества; 
− 
растворения сфероидизирующих веществ в металлической основе; 
− 
изменения кинетики диффузионных процессов при графитообразовании; 
− 
включения в состав шаровидного графита; 
2. Шаровидная форма включений графита определяется формой полости, образующейся в металлической основе: 
− 
самодиффузией атомов железа в матрице; 
− 
образованием в матрице микроскопических пузырьков 
сфероидизирующего вещества, в которых кристаллизуется графит. 
3. Сфероидизирующие присадки только меняют свойства 
среды, в которой происходит кристаллизация. Некоторые гипотезы 
этой группы допускают равноценность влияния на свойства среды 
физических факторов и химического взаимодействия сфероидизи

рующего вещества. Прямое влияние на форму графита в этом случае 
приписывается только свойствам среды, проявляющимся: 
− 
в повышении поверхностного натяжения; 
− 
в создании переохлаждения при кристаллизации графита; 
− 
в изменении фазового состояния сплава, в котором выделяется графит. 
Разумеется, в некоторых гипотезах рассматривается взаимосвязь различных факторов, отнесённых к различным группам гипотез.  
Таким образом, теория процесса получения чугуна с шаровидным графитом находится в состоянии становления и поиска. Требуется дальнейшее накопление научно-экспериментального материала для окончательного решения этой задачи. 
Наиболее вероятной причиной действия модификатора на чугун является дегазация, обессеривание, общее рафинирование чугуна 
и связанные с этим изменения физико-механических свойств жидкого чугуна (поверхностное натяжение, вязкость, склонность к переохлаждению и т. д.). 
Взгляды ученых на причины и механизм сферолитной кристаллизации графита в чугуне различны, однако неоспоримым остается факт обязательного присутствия в чугуне с шаровидным графитом определенного количества сфероидизирующего элемента. При 
этом совершенно не имеет значения, каким способом этот элемент 
введен в чугун. 

2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА 
С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ 

2.1. Магний – основной 
сфероидизирующий элемент 

Шаровидная форма графита в чугуне может быть получена 
при модифицировании его небольшими присадками Mg, Ca, Y, Ce и 
другими редкоземельными элементами. Однако наиболее эффективным сфероидизирующим элементом является магний, так как только 
магний обеспечивает наиболее правильную форму шаровидных 
включений графита в чугуне различного состава, и, кроме того, полная сфероидизация графита в чугуне происходит уже при содержании 0,03 % магния, тогда как при использовании других сфероидизирующих элементов содержание их в чугуне должно быть примерно в 
два раза больше. Поэтому магний является основным компонентом в 
модификаторах для получения чугуна с шаровидным графитом. Другие сфероидизирующие элементы используются, как правило, совместно с магнием и в определенных условиях существенно повышают 
качество получаемого чугуна. 
Однако введение магния в жидкий чугун из-за высокой упругости его паров и большой химической активности является сложной 
технологической операцией. Она не только самая опасная в цикле 
производства литья из чугуна с шаровидным графитом, но и одна из 
экологически вредных. Процесс модифицирования при введении 
чистого магния в открытый ковш с жидким чугуном сопровождается 
взрывоподобным сгоранием его паров, выбросами металла, световым 
излучением и обильными выделениями тонкодисперсных окислов 
магния, способных загрязнять большой объем воздуха. Все это требует особого подхода при ведении этого процесса и принятия специальных мер защиты как обслуживающего персонала, так и окружающей среды.  
Важнейшими физическими свойствами магния, вводимого в 
жидкий чугун, являются температуры его плавления и кипения и упругость пара. Температура плавления магния зависит от его чистоты 
и составляет 650 °С, температура кипения – 1107 °С. Давление 

(мм рт. ст.*) пара чистого магния при разных температурах (°С) можно определить по уравнению Бауэра и Брунера: 

 
lgP = 8,037 – 7115 / T, 

а также по уравнениям Кубашевского и Маринека: 

 
lgP = –7500 / T – 1,41 lgT + 12,79; 

 
lgP [ат**] = –(7100 ± 109) / T + 5,16. 

 

Рис. 1. Давление насыщенного пара чистого магния по данным: 
1 – Бауэра и Брунера; 
 2 – Кубашевского; 3 – Маринека 

Изменение давления пара чистого магния в зависимости от 
температуры, рассчитанного по указанным уравнениям, показано на 
рис. 1. C повышением температуры давление насыщенного пара чистого магния резко возрастает. Если при температуре 1300 °С оно составляет 4 ат, то при 1500 °С – уже 12 ат. Из рис. 1 видно также, что 
при давлении 2 ат магний будет находиться в жидком состоянии до 

*1 мм рт. ст. = 133,322 Н/м2. 
**1 ат = 98 кН/м2. 

температуры 1200 °С, а при давлении 8 ат – до 1400 °С. Это чрезвычайно важно для выбора способа ввода магния в жидкий чугун (например, модифицирование чугуна в автоклаве под специально создаваемым давлением или в герметизированных ковшах под самодавлением, развиваемым парами магния). 
В момент перехода магния из жидкого состояния в газообразное объем его резко увеличивается (рис. 2). При этом чем выше 
температура чугуна, в который вводится твердый магний, тем больше объем образующихся его паров, тем более бурным будет поведение магния в жидком металле. При вводе в чугун 0,3 % магния при 
температуре 1400 °C объем образующихся паров магния в 118,5 раза 
превышает объем чугуна. Естественно, что такое огромное количество газов, вырывающихся из жидкого металла в течение малого промежутка времени, приводит к большим выбросам его из ковша, при 
этом лишь небольшая доля магния полезно используется на раскисление и обессеривание чугуна. Большая же часть паров, вырываясь 
из металла, сгорает в воздухе над его поверхностью, загрязняя окружающую среду мелкодисперсной окисью МgO. Низкая температура 
парообразования магния является основным препятствием для создания технологичного и безопасного процесса ввода его в жидкий 
чугун. 

 

Рис. 2. Изменение объема магния в зависимости от температуры 

С момента появления чугуна с шаровидным графитом 
(1948 г.) разработано много разнообразных способов модифицирования жидкого чугуна, однако все они могут быть классифицированы 
по виду применяемого модификатора и по методу ввода модификатора в жидкий чугун. 
По виду применяемых модификаторов различают модифицирование: 
− 
чистым магнием; 
− 
магнийсодержащими композитами. 
По методу ввода модификатора в жидкий чугун различают 
модифицирование: 
− 
с помощью специального оборудования; 
− 
в обычных разливочных ковшах или непосредственно в 
плавильной печи; 
− 
внутриформенное. 
Модифицирование чистым магнием осуществляется только с 
помощью специального оборудования, модифицирование магнийсодержащими композитами, как правило, проводят в разливочных 
ковшах или непосредственно в форме. 
Ниже рассмотрены наиболее распространенные способы получения чугуна с шаровидным графитом. 

2.2. Модифицирование чугуна с 
помощью колокола 

При использовании для модифицирования чугуна чистого 
магния необходимо обеспечить глубинный ввод его в расплав, т. е. 
принудительное и достаточно глубокое погружение легкого магния 
(плотность 1,74 г/см3) в жидкий чугун, и безопасность в работе, то 
есть изоляцию работающих от действия сгорающих паров магния и 
выбросов металла. 
Эта задача, на первых порах, решалась с помощью колокола, 
который представляет собой стальную коробку круглого или прямоугольного сечения, укрепленную на штанге, с помощью которой 
осуществляется погружение колокола в жидкий чугун. Конструкция 
колокола имеет важное значение для успешного проведения операции по введению магния в чугун и определяет продолжительность 
реакции взаимодействия магния с чугуном, а также степень его ус

воения. Главными параметрами в конструкции колокола являются 
суммарная площадь и диаметр отверстий в боковых стенках, а также 
толщина последних. Недостаточная толщина стенок колокола приводит к преждевременному его расплавлению, всплыванию магния и 
сгоранию его на поверхности без усвоения жидким чугуном. Чрезмерно большая толщина стенок приводит к образованию настылей в 
отверстиях колокола, в результате чего реакции магния с чугуном 
может не произойти. Большая площадь отверстий в стенках колокола 
приводит к чрезмерному ускорению испарения магния и к недостаточному его усвоению жидким чугуном, слишком малая площадь – к 
излишнему увеличению продолжительности процесса, что может 
привести к захолаживанию металла. 
Таким образом, изменяя количество и размеры отверстий в 
боковой поверхности колокола, можно регулировать процесс обработки чугуна чистым магнием. В производственных условиях ввод 
магния с помощью колокола может быть осуществлен одним из трех 
способов: 
− 
в специальных камерах, в которых механизм управления 
погружением и подъемом колокола вынесен за ее пределы (рис. 3); 
− 
в копильнике вагранки (рис. 4); 
− 
с помощью простых защитных устройств (например 
крышки), закрывающих ковш при погружении колокола (рис. 5). 
Во всех случаях необходима специальная вентиляция места, 
где проводится модифицирование.