Брикетований модифікатор для обробки чавуну

1. Брикетований модифікатор для обробки чавуну, що містить ультрадисперсні порошки карбіду кремнію та карбонітриду титану, що отримані методом плазмохімічного синтезу та плаковані сумішшю твердих вуглеводів метанового ряду, 3 нодисперсного порошку карбонітриду титану 0,01-0,1 мкм, чавунної стружки - менш 0,5 мм. Тому до складу брикетованого модифікатора для обробки чавуну додатково вводиться чавунна стружка, що підвищує механічну міцність брикета, збільшує питому щільність його до значень, близьких до значень питомої щільності рідкого чавуну, а також сприяюча швидшому розчиненню брикету. Крім того, введення до складу дисперсної чавунної стружки, як наповнювача, а також як мікрохолодильників, дозволяє не тільки подовжити тривалість модифікування, але і підвищити механічні властивості чавуну за рахунок переохолодження мікрооб'ємів розплаву, формування мелкодісперсной матриці та зменшення розміру графітних включень. Таким чином, в брикетованому модифікаторі, що заявляється, забезпечується висока питома щільність і механічна міцність, а при обробці ним чавунного розплаву стабільність результатів і високих механічних властивостей чавуна у виливках. Границі змісту компонентів у складі брикетованого модифікатора обґрунтовуються наступним. Ультрадисперсний карбід кремнію в кількості 15-25 мас. % забезпечує необхідну кількість центрів кристалізації (3∙107-5∙108 шт/см3) для отримання оптимальних властивостей модифікованого чавуну (Сабуров В.П. Выбор модификаторов и практика модифицирования литейных сплавов. - Омск: ОПИ, 1984, - С. 85), що відповідає 0,005-0,02 % введеного модифікатора. При введенні в розплав ультрадисперсного SiC з розміром частинок 100-1000 нм (0,1-1 мкм) утворюються локальні мікрооб'єми заевтектічеського чавуну з термодинамічно активними центрами кристалізації графіту. У мікрооб'ємах розплаву частинки карбіду кремнію розкладаються (Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Ленинград: Химия, изд. 2-е, 1978, - С. 392). SiC + Fe = FeSi (розчинен) + С (нерозчинен) Вуглецеві утворення, є центрами кристалізації графіту. При цьому мікроутворення кремнію підвищують активність вуглецю, що прискорює дифузійні процеси. Утворення великої кількості центрів кристалізації при модифікації сприяє формуванню дрібнозернистої структури чавуну без наявності крихких високовуглецевих фаз (цементіта, карбідів). Модифікування одним ультрадисперсним карбідом кремнію дозволяє повністю усунути відбіл (кромковий або крізний) в чавунних відливках, проте недостатньо підвищує міцність властивості металу. Цей недолік усувається при введенні в розчин спільно з карбідом кремнієм нанодисперсний порошок карбонітриду титану (25-35 %). Нанодисперсний порошок TiCN з розміром частинок 10100 нм (0,01-0,1 мкм) забезпечує необхідну кількість центрів кристалізації такого розміру, як центри кристалізації аустеніту, які знаходяться в прибудовах 20-40 нм (В.Т. Калинин, А.А. Кондрат. Роль тугоплавких наночастиц в модифицирующих процессах при кристаллизации чугунных отливок.Ж.: «МТОМ» (Металлознавство и термическая обработка металлов), № 1 (44). Днепропетровск: 54846 4 ПГАСиА, 2009. – С. 14). TiCN має найвищу мікротвердість (3200 Мпа) з відомих карбідів і карбонітридів, в т.ч. карбіду ванадію (3000 Мпа) і карбіду вольфрама (2500 Мпа). Висока міцність TiCN пов'язана з міцністю міжатомного зв'язку в ґратах. У тугоплавких карбонітридах TiCN унаслідок «заклинюючої» дії атомів вуглецю максимально виявляються величезні сили зв'язки, властиві тугоплавким металам (Меськин B.C. Основы легирования стали. - М.: Металлургия, 1964. – С. 895). Карбонітрид титану, отриманий методом плазмохімічного синтезу має кубічні грані з параметром а = 4,25 Å. Ковшова або внутрішньоформова модифікування брикетованим модифікатором для обробки чавуну усуває відбіл у виливках, подрібнює структуру і значно підвищує властивості міцності чавуну у порівнянні з відомим модифікатором (патент України на винахід № 71808А МПК7 С22С35/00. опубл, 15.12.2004. Бюл. № 12, 2004. – 6 с.). Запропонований модифікатор випробували при обробці сірого чавуну: 3,3-3,6 % С; 2,0-2,4 % Si; 0,4-0,6 % Мn; 0,04-0,06 % S; 0,1-0,2 % Р. Використовували плакований ультрадисперсний карбід кремнію (SiC) з розміром частинок 0,1-1,0 мкм і нанодисперсний карбонітрид титану (TiCN) з розміром частинок 0,01-0,1 мкм, отримані на спеціальній високочастотній установці методом плазмохімічного синтезу, а також просіяна на ситах чавунна стружка розміром до 0,5 мм. Брикетування здійснювали на гідравлічному пресі, із зусиллям 3-5 т. Початковий чавун виплавляли в індукційній печі, розливали в ковші, на дно яких був укладен брикетований модифікатор в кількості 0,05-0,10 % від маси рідкого металу. З модифікованого чавуну заливали стандартні технологічні проби для дослідження структури і механічних властивостей чавуну. Кількість карбідів і кількість графітних включень в 1 мм визначали шляхом підрахунку їх на поверхні шліфа (Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1976. – С. 328). Властивості міцності чавуну визначали на розривній машині УММ-20 по ГОСТ 24648-90 і ГОСТ 27208-87. Стабільність результатів модифікування оцінювали шляхом підрахунку дисперсії значень міцності за результатами 10 випробувань за наступною формулою: 2 1 n 1i 2 n i , 1 де i - - значення межі міцності за результатами та випробувань; - середнє арифметичне значення межі міцності за результатами 10 випробувань. Результати досліджень приведені в таблиці. З таблиці бачимо, що найбільш високі результати отримані при змісті 25-35 % TiCN, 15-25 % Si і 40-60 % просіяної чавунної стружки (склади 3-5) при дуже значному зменшенні (в 2,8-3,0 рази) значень дисперсії 2, тобто стабільність процесу модифікування була дуже висока. При зменшенні кількості TiCN і SiC і відповідно збільшення чавунної стружки брикет виходить дуже міцним (склад 5 54846 2), погано розчинявся в чавуні і тому знижувався ступінь засвоєння TiCN і SiC розплавом. В результаті кількість карбідів зростала, зменшувалася кількість графітних включень в 1 мм2 і відповідно знижувалася міцність чавуна при вигині (до 502 МПа) при зниженні стабільності процесу модифікування. При збільшенні кількості TiCN до 40 %, a SiC до 30 % і відповідно зменшення кількості чавунної стружки до 30 % (склад 6), її не вистачало як наповнювача при пресуванні і брикет виходив з невисокою міцністю і руйнувався при витяганні з обойми. Тому розвалений брикет не можна було використовувати для отримання модифікованого чавуну. З таблиці також бачимо, що як при збільшенні розмірів частинок TiCN (склад 10), SiC (склад 14) і чавунної стружки (склад 18), так і зменшення розміру частинок TiCN і SiC (склади 7, 11) якість мо 6 дифікованого чавуну погіршувалася, особливо міцні властивості при вигині, і погіршувалася стабільність процесу (підвищується дисперсія 2). Таким чином, модифікатор, що заявляється, в порівнянні з відомим має значно нижче за кількість карбідів (в середньому в 2,0 рази), а також більше кількість графітних включень в 1 мм2 та більш вищу міцність (на 20 %) при більш значно більш високої стабільності процесу (в 2,8-3,0 рази). Корисна модель, що заявляється, може застосовуватися при відливанні деталей для металургійного устаткування і дасть значний економічний ефект. Наприклад, застосування модифікатора, що заявляється, при відливанні колісних виливниць в сталефасоннолітейному цеху ООО «Інтерпайп НТЗ» дозволило підняти стійкість відливок в мартенівському цеху в 1,3-1,35 рази. Таблиця Результати досліджень чавуну, обробленого відомим та модифікатором, що заявляється Склад № Вид модифіп/ катора п TiCN чавунна стружка SiC % розмір, % розмір, % розмір, мас. мкм мас. мкм мас. мкм 1 Відомий 55 45 2 20 0,05 10 0,5 70 0,25 25 30 35 40 30 30 30 30 0,05 0,05 0,05 0,05 0,01 0,05 0,1 0,2 15 20 25 30 20 20 20 20 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 40 50 60 30 50 50 50 50 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 30 0,05 20 0,5 50 0,25 30 30 30 0,05 0,05 20 20 0,1 1,0 50 50 0,25 0,25 0,05 20 2,0 50 0,25 0,05 0,05 0,05 0,05 20 20 20 20 0,5 0,5 0,5 0,5 50 50 50 50 0,1 0,3 0,5 1,0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Заявляємий Заявляємий Заявляємий Заявляємий Заявляємий 12 Заявляємий 13 Заявляємий 14 15 Заявляємий 16 Заявляємий 17 Заявляємий 18 30 30 30 30 Комп’ютерна верстка В. Мацело Стан брикета Порошкоподібний погано розчинявся добре добре добре зруйнувався добре добре добре добре обсипалися кути брикета добре добре обсипалися кромки брикета добре добре добре зруйнувався Кількість Кількість графітних карбідів в включень в структурі структурі чавуна, % чавуна, шт/мм2 Межа Дисперсія міцності значень на виміцності, гин, σu σ2 МП 4,8 162 472 284 3,5 183 502 202 2,9 2,4 1,8 2,5 2,5 2,0 2,0 198 215 223 193 206 209 187 521 532 543 556 454 540 485 114 96 89 105 98 103 124 2,1 187 490 107 2,8 3,4 193 178 530 526 85 96 4,2 167 493 123 4,6 3,5 2,9 178 191 209 498 530 537 110 92 89 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601