Лігатура для білих чавунів

Реферат: Винахід належить до чорної металургії, зокрема до розробки складу лігатури для модифікування залізовуглецевих сплавів. Лігатура містить, мас. %: рідкісноземельні метали 3545; вуглець 0,5-0,8; кремній 20-25; титан 20-25; гафній 3-6; кальцій 0,5-2,0; алюміній 0,5-2,0; залізо - решта. Технічний результат: підвищення міцності та зносостійкості залізовуглецевих сплавів. UA 114364 C2 (12) UA 114364 C2 UA 114364 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до галузі чорної металургії, зокрема стосується розробки складу лігатури для модифікування залізовуглецевих сплавів. Відома лігатура (А.с. № 417521 СРСР МКВ С22С 35/00 опубл. Бюл. № 8, 1974 p.), яка містить, мас. %: РЗМ-ітрій 25-35 ітрій 5-10 алюміній 4-6 кремній 40-50 вуглець 0,2-0,3 кальцій 1-12 бор 2-5 залізо решта. Недоліком цієї лігатури є високий вміст графітизуючих елементів, що не дозволяє застосовувати її для модифікування білих чавунів. Модифікування білих, зокрема валкових чавунів, лігатурою вказаного складу призводить з-за високого вмісту графітизуючих елементів (Si+Al) до виділення у структурі графітних включень, що значно зменшують міцність та зносостійкість прокатних валків. Найбільш близьким по технічній сутності до складу, що заявляється, є лігатура (Пат. № 87086 Україна МПК С22С 35/00 опубл. Бюл. № 11, 2009 p.), що узята за прототип, яка містить, мас. %: рідкісноземельні метали 35-45 вуглець 0,5-0,8 кремній 20-25 титан 25-30 кальцій 0,5-2,0 алюміній 0,5-2,0 залізo решта. Недоліком цієї лігатури є недостатня міцність та високий рівень залишкових напружень у виливках, модифікованих лігатурою. В основу винаходу поставлена задача одержання лігатури для білих чавунів з підвищеною характеристикою міцності та зменшеними напруженнями, яку потребує сучасне виробництво. Технічний результат досягається тим, що лігатура, яка додатково містить гафній, при модифікуванні чавуну призводить до того, що у його структурі подавляється кристалізація ледебуриту, виділяються високотверді карбіди титану та додатково підвищується дисперсність структурних складових, що сприяє підвищенню міцності та зносостійкості. Зазначена задача вирішується тим, що в лігатурі, що містить рідкісноземельні метали, вуглець, кремній, титан, кальцій, алюміній, залізо, згідно з винаходом додатково міститься гафній, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: рідкісноземельні метали 35-45 вуглець 0,5-0,8 кремній 20-25 титан 20-25 кальцій 0,5-2,0 алюміній 0,5-2,0 гафній 3-6 залізо решта. Вплив окремих елементів на структуру і властивості чавуну дуже різноманітний, і так само є багато додаткових факторів, які можуть змінювати вплив того або іншого елемента. Змінний якісний і кількісний вплив різних елементів на структуроутворення сплавів ускладнює можливість їхньої класифікації за ознакою інтенсивності цього впливу, тим більше, що в багатьох випадках, наявність у сплаві двох карбідоутворюючих елементів не обов'язково посилює їх окремий вплив, а іноді нівелює його. Тому задача з підбирання легуючого комплексу у лігатурі, зводилася до того, щоб нейтралізувати небажаний вплив окремих елементів і посилити їх спільний вплив. Вміст хімічних елементів у лігатурі обґрунтовується наступним. Оскільки модифікування валкових чавунів є позапічним обробленням, тому величина присадки повинна бути мінімальною щоб уникнути великих теплових втрат. У теперішній практиці вальцеливарного виробництва температура заливання валкових форм складає 1320…1350 °C. Температура перегрівання при застосуванні великих мас металу (30…50 т) обмежується на рівні 1430…1450 °C. Елементарний розрахунок теплових втрат при 1 UA 114364 C2 5 10 15 20 25 30 35 модифікуванні вказує, що присадка модифікатора у кількості 0,75….1,0 % викликає зниження температури металу на 50…60 °C, втрати на розігрівання заливального ковша складають 30…40 °C, втрати на переливання - 10…30 °C, тому сумарні втрати складають 90…130 °C. Через те, що температура заливання валкових форм, яка обумовлена якістю прокатних валків, знаходиться у межах 1320…1350 °C, то виходячи з вищенаведеного раціональною величиною присадки є присадка 0,75…1,0 %. З іншого боку засвоєння модифікуючих елементів з лігатури складає 50…60 %. Дослідження, які проведені авторами пропонованої лігатури показали, що повне подавления кристалізації ледебуриту відбувається при вмістах 0,20…0,30 % сумі рідкісноземельних металів (РЗМ). Таким чином, нижня межа вмісту РЗМ у лігатурі складе 35 %, а верхня - 45 %. При вмістах нижче 35 % у чавуні засвоюються РЗМ у кількостях, що не забезпечують повного подавления виділення ледебуриту та міцність таких чавунів зменшується. Підвищення вмісту РЗМ у лігатурі вище за верхню межу приведе до високих концентрацій РЗМ у чавуні, наслідком чого є виділення великої кількості неметалевих включень, які також зменшують міцність білих чавунів. У серії експериментів досліджено вплив титану на зносостійкість білих валкових чавунів. Встановлено, що при вмістах нижче 0,2 % титану у структурі виділяється незначна кількість спеціальних високотвердих карбідів та вплив їх на зносостійкість не помітний. При збільшенні вмісту титану вище 0,3 % відбувається погрублення структури, і, як слідство, зменшення міцності чавуну. Таким чином, виходячи з передумов, які наведені вище (засвоєння та величина присадки лігатури), межі концентрацій титану у лігатурі складають 20…25 %. У той же серії експериментів досліджено вплив гафнію на міцність матеріалу прокатних валків. Встановлено, що при вмістах нижче 0,04 % гафнію у структурі підвищення дисперсності структурних складових незначне та вплив цього на міцність не помітний. При збільшенні вмісту гафнію вище 0,08 % відбувається погрублення структури, і, як наслідок, зменшення міцності та зносостійкості. Таким чином, виходячи з передумов, які наведені вище (засвоєння та величина присадки лігатури), межі концентрації гафнію у лігатурі складають 3…6 %. Нижня межа кремнію визначена з урахуванням можливостей алюмосилікотермічного та карботермічного способів одержання лігатури. При вмістах кремнію у лігатурі більше 25 % одержати білий чавун без графітних включень, які зменшують його зносостійкість, утруднено, тому верхня межа вмісту кремнію обмежена 25 %. Межі вмісту вуглецю, кальцію та алюмінію пов'язані з технологічними особливостями виробництва лігатур алюмосилікотермічним, карботермічним та кальцієтермічним способами. Крім того, верхня межа вмісту кальцію обумовлена впливом його на в'язкість шлаку: при вмістах кальцію віще 2,0 % в'язкість шлаку дуже росте. У лабораторних умовах Національної металургійної академії України у шахтній печі сплавленням двох лігатур (хімічний склад лігатури № 1, мас. %: РЗМ 35-45 вуглець 0,5-0,8 кремній 20-25 титан 25-30 кальцій 0,5-2,0 алюміній 0,5-2,0 залізо решта, хімічний склад лігатури № 2, мас. %: гафній 90 %, залізо решта) виплавили лігатури, склади яких наведені у таблиці 1. 40 Таблиця 1 Номер лігатури 1 2 3 4 5 6 РЗМ 35,2 40,3 43,9 35,0 40,1 45,0 С 0,8 0,6 0,5 0,7 0,6 0,5 Si 20,0 22,1 23,1 20,1 22,0 20,1 Вміст хімічних елементів, % Ті Hf Са 20,1 3,1 0,7 22,0 4,5 1,1 24,1 5,7 1,0 25,2 0,5 27,0 1,2 30,0 2,0 Примітка. Лігатури 4-6 - за прототипом. 2 Аl 0,5 0,75 0,5 0,5 0,74 1,0 Fe решта решта решта решта решта решта UA 114364 C2 5 У високочастотній індукційній печі ЛПЗ-67М виплавили валковий чавун складу, мас. %: вуглець 3,32 кремній 0,80 марганець 0,54 фосфор 0,06 сірка 0,02 залізо решта. Після досягнення температури 1450±5 °C та витримки протягом 5 хв випускали порціями у розігрітий розливальний ківш з заздалегідь завантаженою на дно лігатурою. Усі лігатури присаджувалися у кількості 1,0 %. Після зняття шлаку та досягнення температури 1320±5 °C заливали чавуном кокільні форми для виливків діаметром 50 мм та висотою 200 мм. З одержаних виливків вирізали зразки для металографічних досліджень, для визначення межі міцності при вигині та зносостійкості. Визначення межі міцності робили за стандартною методикою. Зносостійкість визначали на машині СМЦ-2 при терті ковзанні з наважкою 750 Н та при кількості обертів 3000. Результати випробувань наведені у таблиці 2. 10 Таблиця 2 Номер чавуну та лігатури 1 2 3 4 5 6 Хімічний склад чавуну, % РЗМ 0,205 0,22 0,27 0,21 0,23 0,29 Si 0,98 0,99 1,00 0,97 1,01 0,96 Ті 0,19 0,20 0,21 0,20 0,22 0,26 Hf 0,04 0,06 0,08 Межа міцності при вигині σ, МПа σ1 σ2 σ3  675 670 675 673 690 720 735 715 705 715 725 715 650 670 630 650 660 650 670 660 695 700 700 698 Зносостійкість 3, г 31 0,030 0,032 0,026 0,032 0,037 0,029 32 0,031 0,031 0,024 0,032 0,035 0,026 33 0,032 0,033 0,024 0,031 0,035 0,024  З 0,031 0,032 0,025 0,032 0,036 0,026 Примітка. Чавуни 4-6 модифікували лігатурою прототипу. 15 Результати проведених досліджень показали, що модифікування білих чавунів лігатурою пропонованого складу (№ 1-3 у табл. 1) дозволяє підвищити у порівнянні з модифікуванням лігатурою прототипу (№ 4-6 у табл. 1) їх зносостійкість в середньому на 6,5 %, а межу міцності при вигині - на 4,8 %. Вказане підвищення властивостей білого чавуну пов'язане з підвищенням дисперсності структурних складових. 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". 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Лігатура для білих чавунів, що містить рідкісноземельні метали, вуглець, кремній, титан, кальцій, алюміній та залізо, яка відрізняється тим, що вона додатково містить гафній, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: рідкісноземельні метали 35-45 вуглець 0,5-0,8 кремній 20-25 титан 20-25 гафній 3-6 кальцій 0,5-2,0 алюміній 0,5-1,0 залізо решта. Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3