Модифікатор

Реферат: Модифікатор містить кремній, магній, рідкісноземельні метали, кальцій, алюміній, залізо. Додатково містить барій, марганець і ванадій. Модифікатор можна використовувати у ливарній формі для отримання чавуну. UA 76030 U (12) UA 76030 U UA 76030 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до металургії, зокрема до розробки складу модифікаторів для отримання чавуну з кулястим графітом методом модифікування розплаву в ливарній формі. Відомий модифікатор для отримання чавуну з кулястим графітом (Болдырев Д.А. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугунов // Литейное производство.-2006. - №12. - С. 9-19) наступного складу, % за масою: кремній 44,0-48,0 магній 5,5-6,2 рідкісноземельні метали 0,8-1,2 (РЗМ) кальцій 0,8-1,2 алюміній 1,0 залізо решта. Такий модифікатор використовується для отримання чавуну з кулястим графітом методом ковшового модифікування, при якому для зниження втрат магнію на окиснення і зменшення піроефекту оптимальним є сповільнений (до 1 хв.) режим розчинення. Недоліком відомого модифікатора є тривалий час його засвоєння в чавуні. Використання відомого модифікатора для модифікування чавуну в ливарних формах, яке обмежується доволі коротким проміжком часу (5-20 с), є проблемним, так як через високий вміст заліза (52-58 %) в структурі модифікатора переважає високозалізиста фаза FeSi з температурою плавлення 1410 °C і він не встигає повністю розплавитися протягом нетривалого часу заливання, що негативно впливає на стабільність результатів внутрішньоформового модифікування. Більш близьким до корисної моделі по технічній суті та ефектом, що досягається, є сплав для модифікування чавуну (Євразійський патент №008521, С22С 35/00, С21С 1/10; опубл. 29.06.2007), який містить, у масових частках, %: кремній 45,0-78,0 магній 0,1-7,0 рідкісноземельні метали 0,1-2,2 (РЗМ) стронцій 0,1-2,0 кальцій 0,1-1,5 алюміній 0,3-2,0 цирконій 0,1-2,0 залізо решта. Однак використання відомого сплаву для модифікування в формах малої металоємкості 1020 кг, які заливаються протягом 5-10 с є проблематичним з причини недостатньо високої швидкості переходу в чавун модифікуючих елементів. Крім того, графітизуюча здатність стронцію нестабільна навіть при незначних коливаннях вмісту в сплаві алюмінію і кальцію. В чавуні з кулястим графітом нестабільна і графітизуюча здатність цирконію, який знаходиться в сплаві у вигляді силіцидів з високою температурою плавлення (більше 1500 °C). Даний хімічний склад модифікуючого сплаву не забезпечує ефективне підвищення міцнісних показників чавуну з кулястим графітом. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення швидкості розчинення модифікатора і підвищення міцнісних показників виливків із чавуну з кулястим графітом. Поставлена задача вирішується тим, що модифікатор, що включає кремній, магній, рідкісноземельні метали, кальцій, алюміній, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково містить барій, марганець і ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. част., %: кремній 55,0-70,0 магній 7,1-11,0 рідкісноземельні метали 0,3-0,7 (РЗМ) кальцій 0,3-1,5 алюміній 0,8-1,5 барій 0,5-2,5 марганець 3,0-5,0 ванадій 3,0-5,0 залізо решта. Вміст кремнію в складі модифікатора менше 55,0 мас. % гальмує розчинення і знижує графітизуючий ефект при модифікуванні, а більше 70,0 мас. % підвищує крихкість модифікатора, внаслідок чого при дробленні підвищується вихід пиловидної фракції з розміром 1 UA 76030 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 часток менше 0,3 мм, яка погано розчиняється в чавуні і може призводити до утворення неметалевих включень в структурі виливків. Магній при вмісті 7,1-11,0 мас. % в складі модифікатора нейтралізує дію поверхневоактивних елементів - сірки та кисню, що сприяє покращенню умов для виділення при кристалізації графіту кулястої форми. При вмісті магнію менше 7,1 % в структурі виливка можливе формування графіту не кулястої форми (вермикулярного або пластинчатого), а введення магнію більше 11,0 мас. % не впливає на покращення структури чавуну з кулястим графітом і його міцнісних характеристик та призводить до епізодичного прориву парів магнію через стояк, що супроводжується піроефектом і розбризкуванням рідкого чавуну. Підвищення вмісту магнію прискорює розчинення модифікатора. РЗМ виконують роль ремодифікаторів, впливають на механічні властивості чавуну за рахунок підвищення дисперсності та кількості перліту в структурі металевої основи. Вміст рідкісноземельних металів в кількості 0,3-0,7 мас. % стабілізує процес модифікування при коливанні хімічного складу вихідного чавуну. Збільшення вмісту РЗМ призводить лише до підвищення ціни модифікатора без значного впливу на структуру чавуну. Вміст РЗМ менше 0.3 % майже не впливає на структуроутворення чавуну з кулястим графітом. Кальцій вводять в пропонований модифікатор в кількості 0,3-1,5 мас. % для покращення ступеня сфероїдизації графіту і підвищення механічних властивостей чавуну за рахунок рафінуючого впливу та зменшення розміру неметалевих включень в чавуні. При вмісті кальцію в сплаві нижче нижньої межі він не впливає на структуру і властивості чавуну, а при вмісті більше 1,5 мас. % може призводити до появи шлакових включень у виливках. Алюміній в запропонованій кількості сприяє графітизації чавуну. При більш високому його вмісті в модифікаторі спостерігається зниження ступеня сфероїдизації графітових включень, поява окисних плівок у виливках, і, як наслідок, зниження механічних властивостей та герметичності. При вмісті алюмінію в складі модифікатора нижче нижньої межі не проявляється його вплив на структуру чавуну. Барій характеризується сильним графітизуючим впливом на структуроутворення чавуну, і сприяє отриманню тонкостінних виливків без відбілу у литому стані. Він забезпечує збільшення кількості центрів кристалізації кулястого графіту. Введення до складу модифікатора барію, в певній мірі, гальмує виділення парів магнію при модифікуванні внаслідок утворення інтерметалічних сполук з магнієм, які дисоціюють при температурах на 300-400 °C вищих, ніж температура кипіння магнію. При вмісті барію більше 2,5 мас. % не спостерігається подальше підвищення графітизації структури тонкостінних виливків. Марганець вводиться до складу модифікатора для збільшення кількості перліту і підвищення міцності виливків з чавуну з кулястим графітом. Марганець також знижує температуру плавлення модифікатора і тим самим сприяє підвищенню швидкості його розчинення. Ванадій в кількості 3,0-5,0 мас. % вводиться для підвищення міцнісних характеристик чавуну з кулястим графітом за рахунок утворення дрібнодисперсних карбідів і карбонітридів, які зміцнюють твердий розчин і подрібнюють мікроструктуру металевої основи. Приклад 1 Швидкість розчинення модифікатора. Дослідження швидкості розчинення модифікаторів проводили з використанням гартувальноструктурного методу. Зразки розмірами ~151515 мм, вирізані з кусків відомого сплаву для модифікування та запропонованого модифікатора (табл. 1) закріплювали на сталевій штанзі і занурювали на глибину приблизно 100 мм в рідкий чавун, який знаходився в тиглі вимкненої індукційної печі місткістю 10 кг. Після витримки протягом 5 секунд в розплаві чавуну з температурою 1400 °C зразки вилучали і охолоджували на повітрі. Як критерій розчинності модифікаторів використовували масову швидкість розчинення (г/с), розраховану за втратою маси зразка за одиницю часу внаслідок його занурення в рідкий чавун. Приклад 2 Структура та механічні властивості. Дослідження впливу модифікатора на структуру та механічні властивості чавуну з кулястим графітом проводили на чавуні, виплавленому в індукційній печі ІСТ-0,01. Хімічний склад чавуну (% мас.): 4,12 С; 2,70 Si; 0,25 Μn; 0,026 S; 0,055 P. Модифікування розплаву модифікаторами виконували в реакційній камері, розміщеній в ливарній формі, тривалість заливання якої становила 5-7 с. Для дослідження структури та визначення тимчасового опору при розриванні (Β), умовної границі плинності (Т) та відносного подовження () використовували циліндричні зразки діаметром 5 мм, вирізані з нижньої частини клиновидних проб з товщиною основи 15 мм. 2 UA 76030 U 5 10 В табл. 2 представлені отримані результати внутрішньоформового модифікування чавуну. Запропонований склад модифікатора сприяє збільшенню на 36,5-50,0 % швидкості розчинення і підвищенню показників міцності чавуну з кулястим графітом: тимчасового опору при розриванні (Β) на 10,5-15,0 %, умовної границі плинності (Т) - 12,0-16,5 %. Модифікатор придатний для модифікування розплаву чавуну в реакційній камері ливарної форми, яка заливається протягом короткого проміжку часу (5-10 с). Витрата пропонованого модифікатора залежить від вмісту в ньому магнію - чим більше магнію, тим менша витрата модифікатора. При мінімальному вмісті магнію 7,1 мас. %, витрата модифікатора становить 1,2 % від маси розплаву, що модифікується, при максимальному вмісті магнію 10,8 мас. % - 0,9 %. Таблиця 1 Хімічний склад досліджуваних модифікаторів Модифікатор Відомий Запропонований № п/п 1 2 3 4 Витрата Модифікатора, % від маси чавуну 1,30 1,20 1,05 0,90 Масова частка елементів, % Si 56,2 61,2 55,7 68,8 Mg РЗМ 5,2 1,10 7,1 0,45 8,6 0,68 10,8 0,351 Са Аl Ва Μn V Fe 0,75 1,42 0,75 0,34 0,76 1,34 0,95 0,85 1,22 0,75 2,05 3,1 4,0 4,9 4,0 3,2 4,8 решта решта решта решта Таблиця 2 Результати досліджень Модифікатор Відомий Запропонований Швидкість Механічні властивості № розчинення, п/п Β,МПа 0,2, МПа . % г/с 1 2,28 530 376 11,6 2 3,12 585 437 14,6 3 3,20 603 437 13,3 4 3,42 610 421 12,0 Структура металевої основи 75 % фериту, 25 % перліту 56 % фериту, 44 % перліту 61 % фериту, 39 % перліту 65 % фериту, 35 % перліту ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Модифікатор, що містить кремній, магній, рідкоземельні метали, кальцій, алюміній, залізо, який відрізняється тим, що додатково містить барій, марганець і ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. част., %: кремній 55,0-70,0 магній 7,1-11,0 рідкісноземельні метали (РЗМ) кальцій алюміній барій марганець ванадій залізо 0,3-0,7 0,3-1,5 0,8-1,5 0,5-2,5 3,0-5,0 3,0-5,0 решта. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3