Чавун жаро- та корозійностійкий для пічного обладнання та литих коробів

Чавун жаро- і корозійностійкий для пічного обладнання та литих коробів, який містить вуглець, кремній, марганець, алюміній, хром, церій і залізо, який відрізняється тим, що він додатково містить модифікуючий комплекс, який включає карбонітрид титану, та мікролегований ванадієм, при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: вуглець 2,8-3,2 кремній 1,1-1,4 марганець 1,3-1,6 алюміній 5,5-6,3 хром 0,26-0,5 ванадій 0,04-0,06 церій 0,09-0,14 карбонітрид титану 0,08-0,1 залізо решта. Винахід відноситься до чорної металургії, зокрема до розробки складу чавуну для виготовлення литих коробів для випалу керамічних виробів. Відомий чавун, який містить по мас. %: C - 3,0-3,4 Si - 2,5-6,0 Mn - 0,005-0,040 Al - 4-7 Cr - 0,8-3,5 Sb - 0,05-0,08 Fe - інше [А.с. №1076482 CPCP МКИ С22С37/00 опубл. Б.І. №8, 1984p.]. Чавун має жаростійкість 0,09 і 2,0г/м 2·год відповідно при температурах 500 і 800°C. Відомий чавун, який містить по мас. %: C - 3,1-3,7 Si - 1,8-2,4 Mn - 0,5-1,0 Al - 1,5-2,5 Cr - 1,5-2,5 Ті - 0,2-0,5 V - 0,05-0,12 Cu - 0,4-0,6 В - 0,09-0,12 Fe - інше [A.с. №1125280 CPCP МКИ С22С37/00 опубл. Б.І. №43, 1984р.]. Чавун має наступні фізико-механічні характеристики: σΒ=960-1050МПа, HB 512-540, жаростійкість 2,0-3,0г/м 2·год, корозійну стійкість 0,10,05мм/рік. Відомі чавуни містять дорогий, дефіцитний і імпортуємий до України легуючий елемент хром, а також мають недостатню жаростійкість і корозійну стійкість у газовому середовищі з окислювальними властивостями. Найбільш близьким по технічній сутності до складу, що заявляється, є чавун узятий за прототип, який містить вуглець, кремній, марганець, алюміній, хром, залізо, та відрізняється тим, що додатково містить церій і магній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: (19) UA (11) 85023 (13) (21) a200801004 (22) 28.01.2008 (24) 10.12.2008 (46) 10.12.2008, Бюл.№ 23, 2008 р. (72) ШАПОВАЛОВА ОКСАН А МИ ХАЙЛІВНА, U A, МАТВЄЄВА МАРИНА ОЛЕГІВНА, U A, БЕСП АЛЬКО ВАЛЕНТИНА МИКОЛАЇВН А, UA, КЛІМОВИЧ БОГДАН ВАЛЕРІЙОВИЧ, UA, МАКАРОВА АН АСТАСІЯ ОЛЕКСАНДРІВН А, UA (73) НАЦІОН АЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ, U A (56) SU, 1239163, A1, 23.06.1986 SU, 1125280, A, 23.11.1984 SU, 1076482, A, 28.02.1984 SU, 1772207, A1, 30.10.1992 SU, 867942, A1, 30.05.1981 SU, 496321, A1, 04.03.1976 US, 4784826, 15.11.1988 US, 20070107816, A1, 17.05.2007 C2 1 3 85023 C - 3,8-4,3 Si - 0,5-1,0 Mn - 0,005-0,04 Al - 1,0-2,5 Cr - 0,1-0,25 Ce - 0,002-0,04 Mg - 0,03-0,05 Fe - інше [А.с. №1239163 CPCP МКИ С22С37/00 опубл. Б.І. №23, 1986p.]. Чавун має низьку жаростійкість 7,8-8,6г/м 2·г при температурі 850°C і недостатню корозійну стійкість 0,9-2,1мм/рік в атмосфері СО2. Крім того, він містить магній, який має високу ентропію та ентальпію, характеризується схильністю до взаємодії з киснем у будь якому окислювальному середовищі, ще є нестійким при зберіганні. В основу винаходу поставлена задача одержання чавун у з підвищеними характеристиками жаростійкості та корозійної стійкості в газовому середовищі з окислювальними властивостями при більш високих робочих температурах 940-980°C, які потребує сучасне виробництво. Технічний результат досягається тим, що чавун мікролегований ванадієм, який має високу хімічну спорідненість до кисню при низькій ентропії, що надає чавуну високу стійкість. Крім того введення модифікуючого комплексу - ультрадисперсних часток карбонітриду титану при вмісту алюмінію 5,5-6,3%, поліпшує стр уктуру та фізикомеханічні властивості чавуну, за рахунок істотного підвищення дисперсності структурних складових і зміцнення металевої матриці карбонітридними фазами. Зазначена задача вирішується розробкою складу чавун у, модифікуючою дією компонентів (TiCN, Ce) та підвищеним вмістом жаростійких елементів Al, Si. Спільними ознаками чавуну, що заявляється, і прототипу є наявність елементів: вуглецю, кремнію, марганцю, хрому, алюмінію, церію, заліза. Відмінною ознакою є додатковий вміст ванадію та модифікуючої складової - карбонітриду титана, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: Вуглець - 2,8-3,2 Кремній - 1,1-1,4 Марганець - 1,3-1,6 Алюміній - 5,5-6,3 Хром - 0,26-0,5 Ванадій - 0,04-0,06 Церій - 0,09-0,14 Карбонітрид титану (по присадці) - 0,08-0,1 Залізо - інше. За наявними у авторів відомостями сукупність ознак, що заявляються та характеризують сутність чавун у є раніше невідомими. Таким чином, запропонований винахід відповідає критерію "новизна". Вплив окремих елементів на структур у і властивості чавун у дуже різноманітний, і так само є багато додаткових факторів, які можуть змінювати вплив того або іншого елементу. Змінний якісний і кількісний вплив різних елементів на структуро утворення сплавів ускладнює можливість їхньої класифікації за ознакою інтенсивності цього впливу, тим більше, що в багатьох випадках, наявність у 4 сплаві двох карбідоутворюючих елементів не обов'язково посилює їх окремий вплив, а іноді нівелює його. Тому задача з підбирання легуючого та модифікуючого комплексу, зводилася до того, щоб нейтралізувати небажаний вплив окремих елементів і посилити їх спільний вплив. Вміст хімічних елементів у чавуні обгрун товується наступним: Вуглець. Є основним зміцнювачем Fe-C сплавів і відповідно при концентраціях у межах 2,83,2% забезпечує необхідну стр уктур у і властивості чавун у. При заявляємому вмісті вуглецю алюміній впливає, як на процес графітизації (забезпечує співіснування двох видів високовуглецевих фаз), так і на структуру металевої матриці. При його вмісті менш 2,8%, ливарні властивості чавуну погіршуються: зростає усадка та не реалізується вплив алюмінію на основу чавуну, що не забезпечує високі показники жаро- і корозійної стійкості. Підвищення вмісту вуглецю більше 3,5% сприяє появі надлишкової карбідної фази (первинного цементиту), що відповідно приводить до окрихчування чавуну і зростанню схильності до утворення гарячих тріщин. Кремній. Цей елемент підвищує жаростійкість чавун у. Межі вмісту, що заявляються, забезпечують оптимальний склад структурних компонентів. Кремній підвищує активність вуглецю у рідкому і твердому розчині, сприяючи утворенню графіту при кристалізації. Він не тільки підвищує стійкість проти окислювання при високих температурах, але і аналогічно діє в атмосфері продуктів згоряння палива з підвищеним вмістом сірки. У той самий час Si знижує жароміцність і пластичність чавуну, тому його вміст обмежений. Введення кремнію менш 1,0% не забезпечує необхідний ефект графітизації. При більш високому вмісті Si в чавуні, що легований алюмінієм і модифікований церієм - не змінюється структура металевої матриці і його стабілізуюча дія стосовно карбідів не відбувається. Вище за 1,4% наступає різке підвищення крихкості сплавів, падіння характеристик в'язкості та пластичності. Марганець. У зазначених межах концентрацій забезпечує достатній ступінь розкислення та десульфурації чавун у, що посилює модифікуючий комплекс. При вмісті менш 1,0% ступінь розкислення і десульфурації недостатня, це приводить до підвищеної витрати модифікаторів. При вмісті більше 1,8% у розплаві збільшується кількість тугоплавких оксидів марганцю, огрубляється структура, підвищується гарячеламкість. Хром. Надає чавуну високу жаростійкість, зносостійкість і теплостійкість. Cr підвищує розчинність вуглецю в рідкому розчині та в аустеніті, збільшує кількість зв'язаного вуглецю в чавуні, зменшує кількість графіту і фериту. При його вмісті 0,26-0,5% формує легований цементит і карбіди. При вмісті хрому менш 0,26% його дія нестабільна, а більше за 0,5% - хром зменшує виділення графіту, знижує реологічні властивості чавун у. Вміст хрому понад 0,5% викликає підвищення крихкості з одночасним зростанням твердості чавуну. Подальше збільшення його вмісту знижує критичну 5 85023 швидкість охолодження, перевищення якої приводить до утворення цементиту в стр уктурі. Алюміній. Жаростійкість і корозійна стійкість чавун у підвищується зі збільшенням вмісту алюмінію, бо він має більшу хімічну спорідненість до кисню, чим основний метал, дифундує до поверхні та утворює щільні міцні оксиди, типу шпінелі, які захищають чавун від подальшого окислення. Alграфітоутворюючий елемент, який диспергує графітні включення і нівелює вплив карбідоутворюючих елементів. Вміст алюмінію у заявляємих межах (5,5-6,3%), сприяє однорідності властивостей фаз і диспергуванню структури чавун у, що приводить до різкого зменшення кількості концентраторів напруг і підвищенню термостійкості. Зміна розподілу, форми та розмірів частинок фаз, що містять алюміній, сприятливо впливає на властивості чавун у: зберігаючи досить високий загальний рівень механічних характеристик, властивості окремих структурних складових вирівнюються. У патентуємому чавуні при вмісті алюмінію (5,56,3%) утворюється інтерметалідна фаза h-Fe2Al5, вуглець перебуває переважно у зв'язаному стані у вигляді карбідів, карбонітридів, які комплексно зміцнюють матрицю чавуну. Крім того, легуючий та модифікуючий комплекс (алюміній і карбонітрид титану) зсовує вер хню межу області графітизації алюмінієвих чавунів убік меншого вмісту алюмінію, і поширює область співіснування двох високовуглецевих фаз, що сприяє зниженню крихкості, твердості та поліпшує оброблюваність чавуну. Легуючий комплекс (алюміній і хром) підвищує жаростійкість чавуну. При вмісті Al менш 5,5% збільшується кількість графіту, відповідно міцність і твердість чавун у знижуються. При вмісті більше 6,3% алюмінію, вуглець кристалізується у вигляді К-фази (Fe3AlCx), що знижує технологічні властивості чавун у (оброблюваність, крихкість). Ванадій. V, що вводиться, як мікролегуючий елемент, впливає на морфологію карбідних евтектик. При вмісті, який заявляється (0,04-0,06%), у чавуні утворюється легований цементит (Fe3,V)C, що є матрицею аустеніто-карбідної евтектики. Це підвищує міцність, поліпшує пластичність, знижує теплопровідність чавун у, сприяє його термостійкості. Також утворюються карбіди та карбонітриди, рівномірно розподілені у металевій матриці, що теж підвищує міцність і твердість чавуну, впливає на розмір графітних включень та первинних зерен аустеніту. При вмісті ванадію менш 0,04% його дія нестабільна, а при більш високому вмісті підвищується вартість виливків. Церій. Модифікує чавун, забезпечуючи одержання графіту компактної форми. Малі добавки церію додатково підвищують жаростійкість чавуну. Такий вплив обумовлений більшим об'ємом їхніх атомів, що заповнюють порожнечі кристалічної структури та перешкоджають, таким чином, дифузії атомів сплавів до поверхні, внаслідок чого окислювання сплавів утруднюється. Концентрація менш 0,09% не є ефективною, а підвищення вмісту більше 0,20% не доцільно, бо приводить до переродження графіту та підвищує вартість чавун у. Карбонітрид титану. Ультрадисперсні частки TiCN, що вводяться у метал є субмікроскопічними 6 центрами кристалізації, які викликають: об'ємну кристалізацію з дрібним первинним зерном, диспергування структурних складових та зміцнення металевої матриці карбонітридними частками. Це сприяє підвищенню фізико-механічних, технологічних та експлуатаційних властивостей чавун у за рахунок суттєвого підвищення однорідності та поліпшення структури. Включення карбонітридів титану, що вводяться у межах 0,08-0,1% (по присадці) рівномірно розподіляються у матриці, підвищують зносостійкість, сприяють підвищенню мікротвердості структурних складових, а також частково пригничують процес графітизації. При концентрації менш 0,08%, дія комплексу нестабільна, підвищення концентрації більше 0,1% - економічно недоцільно. Суть винаходу, що заявляється, не визначена у явному вигляді з відомого авторам рівня техніки. Сукупність ознак, які характеризують відомі рішення, не забезпечують досягнення нових властивостей, і тільки наявність перерахованих відмінних ознак дозволяє одержати новий технічний результат. Таким чином, винахід, що заявляється відповідає критерію "винахідницький рівень". Для оцінки властивостей, запропонованого чавун у і його стр уктурного стану, у порівнянні із прототипом, отримали експериментальний чавун. Були застосовані наступні шихтові матеріали: - чавун переробний ПВК1, ПВК2, ПВКЗ ДЕРЖСТАНДАРТ 805-80; - чавун ливарний ПЛ1, ПЛ2 ДЕРЖСТАНДАРТ 4832-80; - чавун валковий ЧВ-1, ЧВ-2 ДЕРЖСТАНДАРТ 1465-80; - лом сталі 1A, 2А, ЗА ДЕРЖСТАНДАРТ 141588; - феросиліцій ФС75 ДЕРЖСТАНДАРТ 1415-78; - ферохром ФХ 200А, ФХ 800А ДЕРЖСТАНДАРТ 4757-91; - феромарганець ФМн75, ФМн70 ДЕРЖСТАНДАРТ 4755-91; Легуючі елементи та модифікатори повинні відповідати параметрам: - алюміній АВ97 ДЕРЖСТАНДАРТ 295-79Е; - ферованадій ФВд 35А ТУ 14-5-98-78; - РЗМ ДЕРЖСТАНДАРТ 23862.0-79; - ультрадисперсні порошки карбонітрида титану. Експериментальні плавки проводили у високочастотній печі ЛПЗ-67, вага шихти 40кг. Після розплавлення шихти потужність печі знижували до 3040% від максимальної, зчитували шлак періоду плавлення, заміряли температуру. При температурі металу 1520-1530°C вводили феросплави. За задовільним результатом експрес-аналізу хімічного складу металу, його температуру доводили до 1520-1560°C і порціями вводили необхідну кількість алюмінію. Після зчищення шлаку додавали ультрадисперсний порошок карбонітриду титану і РЗМ (примусово під дзеркало металу). Ультрадисперсний порошок має велику питому поверхню (40-60м/г), містить багато адсорбованих газів. Тому для введення його в метал пресуванням були виготовлені брикети. Добавка, що плакує, становила 0,3-0,5% від маси ультрадиспе 7 85023 рсного порошку і складалася із силікокальція, карбонату натрію, декстрину. При температурі 1520-1530°C чавун розливали у форми. Жаростійкість і корозійну стійкість пропонованого чавуну оцінювали гравіметричними методами. Випробування на жаростійкість проводили при температурі 980°C, корозійні випробування проводили в газовому середовищі з окислювальними властивостями. Термостійкість визначали по початку розпалу торців коробів або по початку утворення тріщин. Властивості запропонованого чавуну та прототипу наведені в таблиці. Сукупність фізико-механічних властивостей чавун у, що заявляється в 1,2-1,5 рази вище, ніж у 8 прототипу. Крім того, впровадження пропонованого чавуну для виготовлення литих коробів в яких прожарюють керамічні оболонки у газовому середовищі з окислювальними властивостями при температурах 940-980°C замість застосовуваних раніше литих коробів зі сталі 20Х20Н14С2Л значно знизить їх вартість. Винахід, що заявляється, засновано на теоретичних розробках, підтверджених експериментальними даними та може бути багаторазово відтворений у виробництві. Таким чином, винахід, що заявляється, відповідає критерію "промислова застосовність". Таблиця Хі мічний скла д і в ластив ості чавуну , що заяв ляється та прототипу Хі мічний скла д, мас. % Сплав Чаву н, що заяв ляється Прототип № в ар. C 1 2 3 4 5 2,8 3,0 3,2 2,5 3,5 3,84,3 Si Mn Al Cr ІД 1,3 5,5 0,2 1,2 1,45 5,9 0,4 1,4 1,6 6,3 0,5 0,8 0,8 4,0 од 1,6 2,0 7,0 ІД 0,5- 0,005- 1,0- 0,11,0 0,04 2,5 0,25 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко V Ce TiCN 0,04 0,05 0,06 0,02 ОД 0,09 0,11 0,14 0,05 0,25 0,0020,04 0,08 0,09 0,1 0,01 0,15 Властив ості Межа Корозі йна Тв ердість, Рідиноп линність, Жаростійкість, Кількість міцності, стійкість, HB мм г/м·год тріщи н σ Β, МПа мм/рік 930 505 462-484 4,62 0,63 7 985 512 500-522 5,17 1,12 9 1020 535 605-574 6,13 1,41 12 870 485 410-358 4,25 0,42 6 1045 538 642-587 7,80 1,75 14 710-780 210-229 380-250 Підписне 7,8-8,6 0,9-2,1 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8-17