Модифікатор для внутрішньоформового модифікування чавуну

Реферат: Модифікатор для внутрішньоформового модифікування чавуну містить кремній, кальцій, магній, рідкісноземельні метали, мідь, залізо, алюміній, барій і марганець при наступному співвідношенні компонентів, мас. част., %: кремній 40,0-45,0 магній 7,1-11,0 мідь 26,0-35,0 рідкісноземельні метали (РЗМ) 0,3-0,7 кальцій 0,3-1,5 алюміній 0,8-1,5 барій 0,5-1,5 марганець 3,0-5,0 залізо решта. UA 80358 U (12) UA 80358 U UA 80358 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до металургії, зокрема до розробки складу модифікаторів для отримання чавуну з кулястим графітом методом внутрішньоформового модифікування розплаву. Відомий модифікатор для отримання чавуну з кулястим графітом (Болдырев Д.А. Новые эффективные модификаторы и технологии модифицирования чугунов // Литейное производство. - 2006. - № 12. - C. 9-19) наступного складу, % за масою: кремній 44,0-48,0 магній 5,5-6,2 рідкісноземельні метали (РЗМ) 0,8-1,2 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 окислення 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 ефекту, що досягається, є модифікатор для внутрішньоформової обробки чавуну (А.с. № 519489, С22С35/00, опубл. 30.06.1976), який містить, у масових частках, %: кремній 40,0-55,0 кальцій 4,0-10,0 магній 5,0-8,0 мідь 0,15-25,0 рідкісноземельні метали (РЗМ) 1,0-3,0 залізо решта. Наявність у складі відомого сплаву міді призводить до утворення легкоплавкої фази Cu-SiMg з температурою плавлення менше 1000 °C. Мідь також сприяє зростанню кількості перліту в металевій основі чавуну з кулястим графітом і певною мірою підвищує його міцнісні показники. Однак використання відомого сплаву для внутрішньоформового модифікування є проблематичним з причини високого вмісту кальцію (4,0-10,0 %), який при плавленні комплексної лігатури призводить до утворення на її поверхні значної кількості в'язкого тугоплавкого шлаку (CaO·SiО2), що гальмує процеси плавлення і розчинення. Даний хімічний склад модифікуючого сплаву не забезпечує ефективне підвищення міцнісних показників чавуну з кулястим графітом, який одержують методом внутрішньоформового модифікування. Задачею корисної моделі є збільшення швидкості розчинення модифікатора і підвищення міцнісних показників виливків із чавуну з кулястим графітом. Поставлена задача досягається тим, що модифікатор, що містить кремній, кальцій, магній, рідкісноземельні метали, мідь, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково містить алюміній, барій і марганець при наступному співвідношенні компонентів, мас. част., %: кремній 40,0-45,0 магній 7,1-11,0 мідь 26,0-35,0 рідкісноземельні метали (РЗМ) 0,3-0,7 кальцій 0,3-1,5 алюміній 0,8-1,5 барій 0,5-1,5 марганець 3,0-5,0 залізо решта. Вміст кремнію в кількості 40,0-45,0 мас. % є оптимальним для запропонованого складу модифікатора. При вмісті менше 40,0 % знижується графітизуючий та інокулюючий ефект кремнію на структуроутворення чавуну з кулястим графітом. А збільшення кількості кремнію вище 45,0 % обмежене через наявність високого вмісту міді (26,0-35,0 мас. %). 1 UA 80358 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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. Мри 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 при заливанні ливарних форм до епізодичного прориву парів магнію через стояк, що супроводжується піроефектом і розбризкуванням рідкого чавуну. Підвищення вмісту магнію до 11,0 % прискорює розчинення модифікатора. Мідь в кількості 26,0-35,0 мас. % в складі модифікатора використовується для збільшення швидкості розчинення модифікатора та підвищення міцнісних характеристик чавуну з кулястим графітом за рахунок збільшення кількості перліту в структурі металевої основи. Мідь знижує температуру плавлення модифікатора за рахунок формування в його структурі легкоплавких евтектик з магнієм та кремнієм і тим самим сприяє підвищенню швидкості розчинення. При вмісті міді менше 26,0 мас. % суттєво зменшується її вплив на структуроутворення та підвищення міцнісних показників чавуну з кулястим графітом. При вмісті міді більше 35 % в складі модифікатора її вплив на структуроутворення зменшується. 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 наявності в чавуні домішок демодифікуючих елементів таких як титан, свинець та ін… 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 справляє впливу па 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. Верхня межа вмісту барію (1,5 мас. %) вибрана з урахуванням того, що, при високому вмісті міді як графітизатора структури, його вплив на подальше покрашення графітизації структури тонкостінних виливків незначний. Марганець вводиться до складу модифікатора для збільшення кількості перліту і підвищення міцності виливків з чавуну з кулястим графітом. Марганець також знижує температуру плавлення модифікаторів на основі феросиліцію і тим самим сприяє підвищенню швидкості їх розчинення. 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. В якості критерію розчинності модифікаторів використовували масову швидкість розчинення (г/с), розраховану за втратою маси зразка за одиницю часу його знаходження в рідкому чавуні. 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.): 3,65-3,86 С; 2,0-2,3 Si; 0,20-0,25 Мn; ≤0,006 S; ≤0,07 Р. Модифікування розплаву відомим модифікатором виконували в ковші, оскільки через високий вміст кальцію він дуже повільно розчинявся при внутрішньоформовому модифікуванні, внаслідок чого в структурі чавуну не досягався необхідний ступінь сфероїдизації графіту (більше 85 %). Модифікування 2 UA 80358 U 5 10 розплаву модифікаторами розробленого складу відбувалося в реакційній камері, розміщеній в ливарній формі. Тривалість заливання форми становила 5-7 с. Для дослідження структури та визначення тимчасового опору при розриванні (в), умовної границі плинності (0,2) та відносного подовження () використовували циліндричні зразки діаметром 5 мм, виготовлені з металу нижньої частини клиновидних проб з товщиною основи 15 мм. В табл. 2 представлені отримані результати внутрішньоформового модифікування чавуну. Запропонований склад модифікатора сприяє збільшенню в 1,8-2,0 рази швидкості розчинення і підвищенню показників міцності чавуну з кулястим графітом: тимчасового опору при розриванні (в) на 21,5-35,5 %, умовної границі плинності (0,2) - 6,5-15,0 %. Модифікатор придатний для модифікування розплаву чавуну в ливарних формах, які заливаються протягом короткого проміжку часу (5-10 с). Таблиця 1 Хімічний склад досліджуваних модифікаторів Модифікатор Відомий Запропонований № п/п 1 2 3 4 Витрата модифікатора, % від маси чавуну 2,50 0,90 0,90 0,90 Si 45,2 44,8 42,9 40,6 Масова частка елементів, % Mg РЗМ Са Сu Аl Ва Мn 6,2 1,80 6,7 20,1 10,6 0,35 1,42 26,7 1,57 1,43 3,1 10,4 0,50 0,89 30,0 1,14 0,75 4,0 9,7 0,66 0,41 34,2 0,87 1,02 4,9 Fe решта решта решта решта Таблиця 2 Швидкість розчинення досліджуваних модифікаторів, механічні властивості та структура отриманого їх обробкою високоміцного чавуну Модифікатор Відомий Запропонований 15 № п/п 1 2 3 4 Механічні властивості Швидкість Структура металевої основи розчинення, г/с в, МПа 0,2, МПа 8, % 1,78 558 401 7,3 50 % перліту, 50 % фериту 3,32 680 427 8,4 60 % перліту, 40 % фериту 3,45 712 441 7,0 65 % перліту, 35 % фериту 3,58 756 460 6,2 70 % перліту, 30 % фериту ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Модифікатор для внутрішньоформового модифікування чавуну, що містить кремній, кальцій, магній, рідкісноземельні метали, мідь, залізо, який відрізняється тим, що додатково містить алюміній, барій і марганець при наступному співвідношенні компонентів, мас. част., %: кремній 40,0-45,0 магній 7,1-11,0 мідь 26,0-35,0 рідкісноземельні метали (РЗМ) 0,3-0,7 кальцій 0,3-1,5 алюміній 0,8-1,5 барій 0,5-1,5 марганець 3,0-5,0 залізо решта. 20 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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