Модифікатор для обробки чавуну

Изобретение относится к металлургии, в частности к ковшевому или к внутрифирменному модифицированию чугуна и может быть использовано в литейном производстве. Известно применение в качестве модификатора дисперсных тугоплавких соединений (авт.св. № 1077323, 1405342, 2069703, все С 22 С 35/00; Бабаскин Ю.З. Структура и свойства литейной стали. - К.: Наукова думка, 1980; Затуловский С.С. Суспензионная разливка. - Наукова думка, 1981). Основными недостатками их применения являются быстрое окисление модификатора, плохое смачивание частиц расплавом, нестабильность получаемых механических свойств чугуна в отлива х. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному является модификатор для обработки чугуна (патент 2069702, заявка 93030977/02 от 01.06.93, С 22 С 35/00), содержащий дисперсный порошок карбида кремния, полученный плазмохимическим синтезом и плакированный смесью твердых углеводородов метанового ряда. Недостатками данного модификатора являются значительный его расход при обработке расплава и нестабильность получаемых механических свойств чугуна в отлиты х изделиях. Это является следствием того, что применяемый в известном изобретении дисперсный порошок карбида кремния является слишком крупным, чтобы его частицы выполняли роль центров кристаллизации при затвердевании модифицированного чугуна. Дисперсный порошок имеет размер частиц в пределах 0,1-1,0 мкм или 100010000Ǻ (Толковый металлургический словарь, Основные термины./Под ред. Куманина В.И. - М.: "Русский язык", 1980). В основу настоящего изобретения поставлена задача снижения расхода модификатора, повышения уровня и стабильности показателей механических свойств чугуна отливок. Это достигается заменой дисперсного порошка карбида кремния ультрадисперсным и дополнительным вводом в состав модификатора ультрадисперсного карбонитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%: Карбонитрид титана 25-35 Карбид кремния Остальное Размер частиц ультрадисперсных порошков составляет 0,01-0,1 мкм или 100—1000Ǻ . Замена дисперсного порошка карбида кремния на ультрадисперсный связано с тем, что значительный эффект при применении карбида кремния, как модификатора, достигается только при обработке расплава частицами с размером, не превышающим радиус критического зародыша. При переохлаждении Fe-C расплава, например на 10-20°С (обычно отливаемые изделия) такой радиус составляет 0,01-0,06 мкм (Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. - М.-Л.: Машиностроение, 1966; Бабаскин Ю.З. Структура и свойства литой стали. - К. Наукова думка, 1980). Поэтому, при вводе в расплав ультрадисперсного порошка карбида кремния с размером частиц 0,01-0,1^ мкм порядка 50-60% из них без инкубационного периода могут быть центрами кристаллизации графита. Для дисперсной частицы необходим, как минимум, определенный подготовительный период (уменьшение до критического размера путем подплавления, избежания окисления границ и т.д.), чтобы частица смогла выполнить роль центра кристаллизации. Для получения оптимальных свойств модифицированного чугуна требуется 3 * 107 - 5 · 10 8 шт/см 3 центров кристаллизации (Сабуров В.П. Выбор модификаторов и практика модифицирования литейных сплавов., Омск: ОПИ, 1984), что соответствуе т 0,003-0,02% введенного модификатора. Для получения такого же количества центров кристаллизации при вводе дисперсного карбида кремния с размером частиц 0;1—1,0 мкм (1000-10000Ǻ) требуется гораздо больше модификатора, в пределах 0,05-0,1 % от массы чугуна. При вводе ультрадисперсного Si С в расплав образуются локальные микрообъемы заэвтевтического чугуна с термодинамическими центрами кристаллизации графита. В микрообъеме расплава частицы карбида кремния разлагаются (Сб. "Разливка в слитки и их качество", М.:Ме таллургия, 1978, № 6). SIC + Fe = FeSi (раствор) + С (нераствор). Углеродистые образования, имеющие свою межфазную границу, являются центрами кристаллизации графита. При этом микрообразования кремния повышают активность углерода, что ускоряет диффузионные процессы. Образование большого количества центров кристаллизации при модифицировании способствует формированию мелкозернистой структуры черного чугуна без наличия хрупких высокоуглеродистых фаз (цементита, карбидов). Модифицирование одним ультрадисперсным карбидом кремния позволяет полностью устранять отбел (кромочный или сквозной) в чугунных отливках, однако недостаточно повышает прочностные свойства металла. Этот недостаток устраняется при вводе в расплав совместно с карбидом кремния ультрадисперсного порошка карбонитрида титана Ті (CN). Ті (CN) имеет самую высокую микротвердость (32000 МПа) из известных карбидов и карбонитридов, в т.ч. карбида ванидия (30000 МПа) и карбида вольфрама (25000 МПа). Высокая твердость Ті (CN) связана с прочностью межатомной связи в решетке. В тугоплавких карбидах (TiC, Ni(CN), WC и др.) вследствие "заклинивающего" действия атомов углерода максимально проявляются огромные силы связи, свойственные тугоплавким металлам (Месь-кин B.C. Основы легирования стали, - М.: Металлургия, 1964). Карбонитрид титана плазмохимического синтеза имеет кубическую решетку с параметром а = 4.256Ǻ . Ковшевое или внутриформенное модифицирование чугуна ультрадисперсными порошками SiC и Ti(CN) устраняет отбел в отливке, измельчает стр уктур у, значительно повышает прочностные свойства чугуна по сравнению с известным модификатором (патент № 2069702). Предложенный модификатор опробовали при обработке серого чугуна: 3,3-3,6 С; 2,0-2,4%Si; 0,4-0,6% Μn; 0,04-0,05% S; 0,1-0,3% Р. Использовали плакированные карбид кремния и карбонитрит титана с размером частиц 0,005-0,15 мкм (50-1500 А ) полученные плазмохимическим синтезом на установках АО "НЕОМАТ" (г.Рига, Латвия). Исходный чугун выплавляли в индукционной печи, разливали в ковши, на дно которых были уложены пакеты с модификатором в количестве 0,02-0,05% от массы обрабатываемого металла. Из модифицированного чугуна заливали стандартные технологические пробы для исследования структуры и механических свойств чугуна. Число центров кристаллизации графита определяли путем подсчета количества аустенитного - графитных зерен в 1 см 2 поверхности травленного микрошлифа (Справочник по чугунному литью /Под ред. Гиршовича Н.Г., М.: Металлургия, 1971). Стабильность результатов модифицирования оценивали путем подсчета дисперсии (σ2) значений прочности по результатам 10 испытаний по следующей формуле: где σi - значение предела прочности по результатам і испытаний; σ- среднеарифметическое значение предела прочности по результатам 10 испытаний. Результаты экспериментов по обработке чугуна ультрадисперсным модификатором различного состава и фракции приведены в таблице. Из таблицы видно, что наиболее высокие результаты получены при содержании в модификаторе 65-75% SiC и 25-35% Ті CN (составы 3-5) и фракционном составе в пре-> делах 0,01-0,1 мкм (составы 8—12). При содержании карбонитрида титана (Ті СN)меньше 25% в составе модификатора (например, состав 2) уменьшается прочность на изгиб (при 20% Ті (CN) ση = 325 МПа) и увеличивается разброс их значений: дисперсия прочности σ2 при 20% Ti(CN) равна 124, в то время как для составов 3-5 дисперсия σ2 равна 85-92. Это является следствием недостаточности упрочняющей добавки в виде Ті (CN) в составе модификатора. Πри увеличении содержания ТІ (CN) свыше 35$ (например, состав 6) наблюдается значи тельное уменьшение числа центров кристал лизации графита, что в свою очередь говорит о нехватке графитизирующей ультрадисперсной добавки в виде SiC. При размерах ультрадисперсных частиц менее 0,01 мкм (состав 7) часть их, имея диаметр меньше кристаллического размера растворяется в чугуне, не образуя центров кристаллизации графита и число последних падает. Кроме того, нижний (минимальный) размер фракции ограничен возможностями способа ее получения и снижением производительности установки плазмохимического синтеза. Уменьшается число центров кристаллизации графита и с увеличением фракционного состава модификатора более 0,1 мкм. Графитные включения увеличиваются в размере и, как следствие, падает прочность чугуна в отливках. Полученные высокие результаты достигаются при более низком расходе модификатора (0,02% против 0,05% у известного). Таким образом, обработанный предлагаемым модификатором чугун по сравнению с чугуном, обработанным известным модификатором, имеет более мелкозернистую стр уктуру без хр упких высокоуглеродистых фаз вследствие большого количества центров кристаллизации графита (пц), более высокий уровень и стабильность механических свойств чугуна в отливках при низком расходе модификатора. Обработка предложенным модификатором выплавленного чугуна позволяет внепечным способом переводить его в более высокую арку, а также повысить эксплуатационные показатели отливок для металлургической и машиностроительной промышленности (прокатные валки, изложницы, трубы, штампы, станины и т.д.), что дает значительный экономический эффект.