Чавун

Чавун для покриття, яке наноситься на поверхню мідних виробів методом наморожування, що вміщує вуглець, кремній, марганець, сірку, фосфор, алюміній, залізо який відрізняється тим, що до його складу додатково введений нікель і/або мідь при такому співвідношенні інгредієнтів, мас Вуглець Кремній Марганець Сірка Фосфор 3,1-3,6 2,5-3,3 0,15-0,50 0,01-0,10 0,02-0,15 0,03-1,80 АЛЮМІНІЙ 0,3-1,5 Нікель і /або мідь решта, Залізо причому вміст вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору, нікелю та МІДІ визначається співвідношенням c\Si —t - 0,і(Мп ї—і -1,75 S - 0,3)+ ОДР + 0,4(М —!ї—і h + Си )1 ^ = 0,4-2,9, де С, Si, Mn, S, Р, Ni, Cu - числа, що дорівнюють вмісту ВІДПОВІДНИХ легуючих елементів, мас %, h - число, що дорівнює товщині стінки мідного виробу, MM о Винахід відноситься до металургійної промисловості і може бути використаний в технології нанесення захисного покриття на поверхню мідних виробів методом наморажування Ця технологія є новою, и положення захищені заявкою на видачу патент) України за № 99031461 Суть методу наморажування полягає в тому, що заздалегідь підготовлену деталь занурюють на певний час у рідкий чавун, забезпечуючи кристалізацію щільного чавунного шару на поверхні деталі Досвід використання цієї технології показує, що чавунне покриття забезпечує значне підвищення експлуатаційної СТІЙКОСТІ вузлів, які контактують з газовими середовищами з температурою до 1500 °С і вище Одним з таких вузлів є мідна фурма (з водяним охолодженням) гарячого дуття доменної печі Чавунне покриття на фурмах не тільки дозволяє значно скоротити витрати на їх заміну, але й також дає можливість зменшити товщину мідної стінки і, таким чином, заощадити дефіцитний кольоровий метал бу без утворення крихкого переходного шару Подруге, кристалізація рідкого металу має супроводжуватися мінімальним рівнем напруг, які можуть призвести до утворення тріщин, а ІНОДІ - до руйнування покриття ІНШІ вимоги відносяться до поведінки чавуну при експлуатації фурм и Якщо під час роботи з'являється зазор між поверхнею фурм и та чавунним покриттям, це призводить до швидкого ерозійного зношування фурми Поява зазору спричиняється збільшенням об'єму шар) за рахунок процесів росту Окрім того, чавунне покриття повинно швидко відводити тепло від поверхні контакту з газами до охолоджувача, що циркулює всередині фурми (при щільному контакті покриття з фурмою температура захисного шару складає 650 - 700°С) Це дасть змогу запобігати підплавленню і руйнуванню захисного шару Таким чином, чавун повинен маги добре зчеплення з мідною поверхнею, кристалізуватися з мінімальними напругами, мати високу ростостійкість і теплопровідність Чавун, що використовують при наморажуванні повинен відповідати певним вимогам По-перше, він повинен забезпечувати добре механічне зчеплення металу покриття з поверхнею мідного виро Оскільки найбільшу теплопровідність з усіх чавунів мають сплави з пластинчастим графітом, пошук оптимального ХІМІЧНОГО складу вели в межах структурного класу сірих чавунів ю 47524 Широко поширеними є сірі чавуни марок СЧ15СЧ18, які, згідно з ГОСТ 1412-85, мають такий ХІМІЧНИЙ склад, в мас % Вуглець 3,4 - 3,7, Кремній 1,9-2,4, Марганець 0,5-0,8, Сірка не більше 0,15, Фосфор не більше 0,20, Залізо решта Застосування цього чавуну при наморажуванні не є ефективним по причині наявності в структурі грубопластинчастого графіту, що значно підвищує схильність до росту при експлуатації та призводить до швидкого руйнування поверхні фурми Більш дисперсну графітну фазу мають чавуни марок СЧЗО - СЧ35, які, згідно з ГОСТ 1412-85, характеризуються таким ХІМІЧНИМ складом, в мас % Вуглець 2,9 - 3,2, Кремній 1,0-1,3, Марганець 0,7-1,0, Сірка не більше 0,12, Фосфор не більше 0,20, Залізо решта Незважаючи на більш високу (порівняно з СЧ18) ростостійкість, чавуни СЧЗО - СЧ35 кристалізуються з підвищеною усадкою, яка призводить до розтріскування покриття на фурмах ще до початку їх експлуатації Набільш близьким до винахіду є чавун за а с 791784 СРСР(С22С 37/10), прийнятий за прототип, який вміщує, в мас % Вуглець 3,4 - 4,0, Кремній 1,9-2,3, Марганець 0,7-1,0, Сірку 0,007-0,15, Фосфор не більше 0,30, АЛЮМІНІЙ 0,4-1,0, Залізо решта Завдяки тому, що склад цього чавуну є близьким до евтектичного, він визначається невеликою усадкою, і це дає змогу отримувати покриття без тріщин Однак даний чавун не був впроваджений в технологічний процесі наморажування, тому що його застосування не забезпечило необхідної ЩІЛЬНОСТІ металу на границі «чавун - мідь» зважаючи на наявність в цьому МІСЦІ значної КІЛЬКОСТІ порожнин та надривів Крім того, структура покриття з цього чавуну виявилася дуже чутливою до зміни товщини мідної стінки, на яку наносили захисний шар Це призводило до одержання шарів з різною ступінню дисперсності графіту, а також до появи ледебуріта, що негативно впливало на стабільність об'єму покриття при експлуатації і зумовлювало недостатньо високу СТІЙКІСТЬ фурм В основу винаходу поставлена задача розробки нового чавуну для застосування в технології нанесення чавунного покриття на мідну поверхню, в якому додаткове введення компонентів та їх масове співвідношення, що вибирається відносно товщини стінки деталі, дозволяє забезпечити високу ЩІЛЬНІСТЬ металу га границі «чавун - мідь», запобігати утворенню тріщин в покритті та появі зазору між покриттям і поверхнею МІДІ, та за рахунок цього підвищити експлуатаційну ДОВГОВІЧНІСТЬ МІДНИХ виробів, що працюють в контакті з печною атмосферою Для рішення поставленої задачи у чавун, що вміщує вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, алюміній, залізо, додатково вводиться нікель і (або) мідь при такому масовому співвідношенні елементів, мас % Вуглець 3,1 -3,6, Кремній 2,5-3,3, Марганець 0,15-0,50, Сірка 0,01 -0,10, Фосфор 0,02-0,15, АЛЮМІНІЙ 0,03-1,80, Нікель і (або) мідь 0,3 -1,5, Залізо Решта причому вміст вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору, нікелю та МІДІ визначається співвідношенням - 0,2( Ми - ІJ5S - 0 3) + 0,1 F + 0,4( Ni - С и)] А 04-2,9 де С, Si, МЛ ,S ,P ,NI, Cu- вміст вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору, нікелю, МІДІ, ВІДПОВІДНО, в мас %, h -товщина стінки мідного виробу, мм За структурою запропонований чавун відноситься до сірих чавунів з Пікроана матрицею Основні елементи, що входять до складу чавуна (С, Si, Р, АІ, NI, CU), справляють вирішальний вплив на ступінь його евтектичності і схильність до графгпзацм, тобто на чинники, які сприяють досягненню мети винаходу Введення нікелю та (або) МІДІ ПОСИЛЮЄ графітоутворення і запобігає кристалізації ледебуріта (у цій якості нікель та мідь є аналогами, тому у винаході заявляється їхня сумарна КІЛЬКІСТЬ) АЛЮМІНІЙ утворює велику КІЛЬКІСТЬ дисперс них Пікроана, які виступають центрами кристалізації і забезпечують диспергування усіх структурних складових, включаючи графіт Марганець, як відомо, стабілізує цементит і підвищує рост чавуну, тому його вміст обмежується КІЛЬКІСТЮ, необхідною для зв'язування сірки в сульфіди MnS, що покращує МІЦНІСТЬ чавунного шару та знижує негативний вплив сірки на графітоутворення Дослідження авторів дозволили встановити, що якість чавунного покриття, яка оцінюється станом макроструктури на границі «чавун - мідь», тріщиностійкістю, ростостійкістю та експлуатаційною СТІЙКІСТЮ, функціонально пов'язана з Пікроанальним показником ХІМІЧНОГО складу, який являє собою чисельник співвідношення (1), причому співвідношення (1) повинно бути в межах 0,4 - 2,9 В такому випадку на мідних виробах, наприклад, фурмах, одержують наморожений чавунний шар, який щільно і без тріщин вкриває поверхню на протязі усього терміну експлуатації При величині співвідношення менш ніж 0,4 знижується ЩІЛЬНІСТЬ металу на границі «чавун - мідь» і виникають тріщини, а при співвідношенні, більшому ніж 2,9, значно збільшується рост покриття, і фурма швидко виходить з ладу При ВМІСТІ вуглецю менш, ніж 3,1%, кремнію менш, ніж 2,5%, фосфору менш, ніж 0,02%, нікелю та (або) МІДІ - менш, ніж 0,3%, не досягається стан чавуну, близький до евтектичного, і до того ж, при (\), 47524 кристалізації в структурі утворюється Пікроанал Це призводить до підвищення рівня напруг в шарі і до його розтріскування Збільшення концентрації С, Si, NI, P, Cu понад верхньої границі, що заявлена, погіршує усі показники якості шару за рахунок утворення великої КІЛЬКОСТІ грубих включень графіту Введення алюмінію в КІЛЬКОСТІ, ЩО перевищує 1,80%, знижує ростостійкість і ЩІЛЬНІСТЬ металу на границі «чавун - мідь» При ВМІСТІ алюмінію менш ніж 0,03% Пікроаналізу структура і зростає схильність чавунного покриття до утворення тріщин При ВМІСТІ марганцю нижче 0,15% не досягається потрібна ступінь зв'язування сірки в сульфіди MnS, це сприяє утворенню надривів та порожнин на границі «чавун - покриття» Якщо вміст марганцю перевищує 0,50%, в структурі поряд з ферітом утворюється перліт, і ростостійкість чавуна зменшується КІЛЬКІСТЬ сірки в чавуні обмежена рівнем, перевищення якого різко погіршує експлуатаційну СТІЙКІСТЬ всього вузлу Нижня границя концентрації сірки відображає практичні можливості десульфу рацм чавунних розплавів Чавун для наморажування виплавляли в 400 кг індукційній ПІЧЦІ, використовуючи ливарний чавун Л КЗ, 75%-й феромарганець, 33%-й Пікроанацій, металеві нікель, мідь, а також алюміній Наморожений шар наносили на МІДНІ фурми, одна з кількох фурм з шаром певного ХІМІЧНОГО складу використовувалась для оцінки структури та проведення випробуванню Після охолодження фурм візуально визначали наявність тріщин в покритті, після чого з них вирізали зразки для Пікроаналізу і випробувань на ростостійкість РОСТОСТІЙКІСТЬ чавуну оцінювали за збільшенням об'єму образців після нагріву при 700°С упродовж 150годин ЩІЛЬНІСТЬ контакту, яку визначали на макрошліфах за величиною зазору на границі «чавун -мідь», вважали задовільною при величині зазору не більше 0 2мм Задовільний стан макроструктури металу на границі «чавун мідь» відповідав відсутності в цьому МІСЦІ порожнин, тріщин та надривів ХІМІЧНИЙ склад чавуну та його властивості наведені в таблицях 1 - 3 Таблиця 1 ХІМІЧНИЙ склад досліджених чавунів з різною величиною співвідношення (1) ВМІСТ, мас % №№ п/п 1 2 3 4 5 Відомий С Si Mn 3,15 3,31 3,37 3,11 3,28 3,81 2,61 3,10 2,99 2,54 3,00 2,06 0,40 0,32 0,28 0,48 0,30 0,83 S P 0,019 0,02 0,022 0,12 0,025 0,074 0,030 0,02 0,021 0,10 0,030 0,065 Ni Cu Ni+-Cu Al Fe 0,11 0,44 0,40 0,19 1,00 0,2 0,48 0,75 0,11 0,40 0,31 0,92 1,15 0,30 1,40 0,95 0,99 1,03 0,94 0,91 0,58 решта решта решта решта решта решта Товщина Величина співмідної стінк відношення (1 и, мм 20,5 0,42 4 2,88 7 1,67 26 0,31 3,5 3,35 7 1,07 Таблиця 2 ХІМІЧНИЙ склад досліджених чавунів з різним вмістом нікелю і (або) МІДІ №№ п/п С Si Mn S 6 7 8 9 10 3,35 3,38 3 30 3,35 3,28 2,99 2,98 2,75 2,86 2,95 0,28 0,35 0,22 0,35 0,18 0,022 0,023 0,019 0,018 0,019 Вміст мас % P Ni 0,06 0,06 0,05 0,09 0,08 0,16 0,89 0,58 0,10 1,25 Cu Ni+Cu Al Fe 0,15 0,59 0,34 0,15 0,38 0,31 1,48 0,92 0,25 1,63 0,55 0,64 0,58 0,61 0 57 решта решта решта решта решта Товщина мідної стінки, мм 7 7 7 7 7 Величина співвідношення (1) 1,56 1,73 1,49 1,49 1,71 Таблиця З Властивості досліджених варіантів чавунного покриття №№ п/п 1 2 3 4 5 6 Збільшення об'єму при нагріванні, % 0,09 0,09 0,08 0,29 0,35 0,09 Наявність тріщин в Стан макроструктури на покритті границі «чавун- мідь»* немає задовільний немає задовільний немає задовільний є незадовільний є незадовільний немає задовільний Плошісгь Контакту Задовільна Задовільна Задовільна Незадовільна Незадовільна Задовільна СТІЙКІСТЬ фурм з покриттям, МІСЯЦІ 8 8,5 9 2,5 1,8 8,3 47524 Продовження табл З №№ п/п 7 8 9 10 Відомий Збільшення об'єму при нагріванні, % 0,08 0,08 0,25 0,41 0,26 Наявність тріщин в Стан макроструктури на покритті границі «чавун- мідь»* немає задовільний немає задовільний є незадовільний є незадовільний немає незадовільний Таким чином, чугун, що пропонується, дозволяє досягти рівня вимог, які висуваються до чавунного покриття, що наморажується на поверхню мідних виробів, працюючих в контакті з високотемпературними газами, Дані, наведені у таблиці З, вказують на те, що оптимальне поєднання усіх показників якості чавунного покриття досягається в чавунах №№ 1, 2, 3, 6, 7, 8 У випадку, коли співвідношення (1) не досягає межі, що заявлена, спостерігається погіршення макроструктури на границі «чавун - мідь», а якщо воно перевищує ці межі, різко знижується експлуатаційна СТІЙКІСТЬ фурм Втім, поряд з необхідністю виконання співвідношення (1), досягнення мети винаходу вимагає Плошісгь Контакту Задовільна Задовільна Незадовільна Незадовільна Незадовільна СТІЙКІСТЬ фурм з покриттям, МІСЯЦІ 8,4 8,9 2,6 2,0 1,5 обов'язкову наявність в чавуні нікелю і (або) МІДІ (це стосується прототипу, який відповідає співвідношенню (1), але не має в своєму складі вказаних елементів) В разі, якщо вміст елементів, які впливають на процеси кристалізації (наприклад, нікелю і (або) МІДІ), знаходиться нижче границь інтервалу, що заявляється, в намороженому шарі виникають значні напруги, і покриття розтріскується При перевищенні меж інтервалу чавунне покриття починає інтенсивно зростати при підвищених температурах Все це також знижує ДОВГОВІЧНІСТЬ намороженого з'єднання ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71