Сплав для модифікування чавуну в ливарній формі

Реферат: Сплав для модифікування чавуну в ливарній формі містить кремній, магній, кальцій, алюміній, залізо, рідкісноземельні метали, барій, хром і олово. UA 99434 U (54) СПЛАВ ДЛЯ МОДИФІКУВАННЯ ЧАВУНУ В ЛИВАРНІЙ ФОРМІ UA 99434 U UA 99434 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до металургії, зокрема до розробки складу модифікаторів для сфероїдизуючого модифікування розплаву в ливарній формі та поліпшення фізико-механічних властивостей високоміцного чавуну. Відомий модифікатор КМг7 для сфероїдизуючої обробки чавуну у формі або в ковші (ДСТУ 3362-96 "Модифікатори для виливків з чавуну. Загальні технічні умови"), що включає: кремній 40,0-55,0 магній 5,5-8,0 рідкоземельні метали (РЗМ) 0,3-1,0 кальцій 0,2-1,0 алюміній ≤ 2,5 залізо решта. До недоліків цього модифікатора належить низька швидкість розчинення, недостатня графітизуюча і інокулююча здатність, короткий інтервал часу збереження модифікуючого ефекту. 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 (32-52 %) 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 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 рідкоземельні метали (РЗМ) 0,1-2,2 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 цього 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. Задачею корисної моделі є збільшення швидкості розчинення модифікатора, покращення графітизуючого впливу на структуроутворення, збільшення кількості центрів кристалізації кулястого графіту та підвищення міцнісних властивостей чавуну при мінімальній витраті. Поставлена задача вирішується тим, що модифікатор, що включає кремній, магній, кальцій, алюміній, залізо, рідкісноземельні метали, згідно з корисною моделлю, додатково містить барій, хром і олово в наступному співвідношенні компонентів, мас. част.: 55,0-65,0 % Si 7,1-10,0 % Mg 1,0-1,5 % Са 1,8-2,2 % Ва 3,0-7,0 % Сr 0,8-1,5 % Аl 3,0-5,0 % Sn 0,3-0,7 % РЗМ решта - Fe. Кремній - основний компонент більшості графітизуючих і сфероїдизуючих модифікаторів. Вміст кремнію в складі модифікатора менше 55,0 мас. % гальмує розчинення і знижує графітизуючий ефект при модифікуванні. Високий вміст кремнію в складі модифікатора сприяє більш швидкому його розчиненню за рахунок утворення в результаті дифузії заліза в шар, що плавиться, легкоплавкої сполуки (FeSi2 та евтектики на її основі), забезпечує підвищення ступеня феритизації металевої основи. При вмісті кремнію більше 75 % підвищується крихкість модифікатора, внаслідок чого при дробленні підвищується вихід пиловидної фракції з розміром 1 UA 99434 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 в складі модифікатора нейтралізує дію поверхнево-активних елементів чавуну - сірки та кисню. Збільшення вмісту магнію зменшує витрату модифікатора, прискорює його розчинення і сприяє підвищенню ступеня сфероїдизації графіту у високоміцному чавуні. При вмісті магнію менше 7,0 % в структурі виливка можливе формування графіту не кулястої форми (вермикулярного або пластинчатого), а введення магнію більше 10,0 мас. % не впливає на покращення структури чавуну з кулястим графітом і його міцнісних характеристик, а при внутрішньоформовому модифікуванні призводить до прориву парів магнію через стояк, що супроводжується піроефектом і розбризкуванням рідкого чавуну. Кальцій вводять в пропонований модифікатор в кількості 1,0-1,5 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 на структуру і властивості чавуну, а при вмісті більше 1,5 мас. % гальмує процес розчинення та може призводити до появи шлакових включень у виливках. Барій характеризується сильним графітизуючим впливом на структуроутворення чавуну, і сприяє отриманню тонкостінних виливків без відбілу у литому стані. Забезпечує збільшення кількості центрів кристалізації кулястого графіту. Введення до складу модифікатора барію, в певній мірі, гальмує виділення парів магнію при модифікуванні внаслідок утворення інтерметалічних з'єднань з магнієм, які дисоціюють при температурах на 300-400 °C вищих, ніж температура кипіння магнію. При високому вмісті барію (більше 2,5 мас. %) не спостерігається подальше підвищення графітизації структури тонкостінних виливків. Хром в кількості 3,0-7,0 мас. % вводиться в склад модифікатора для підвищення ступеня перлітизації металевої основи і міцнісних характеристик чавуну з кулястим графітом, в тому числі, за рахунок утворення дрібнодисперсних карбідів і карбонітридів, які зміцнюють твердий розчин і подрібнюють мікроструктуру. При більшій його кількості може утворюватись цементит і підвищується твердість чавуну. Алюміній в запропонованій кількості сприяє розкисленню та графітизації чавуну. При вмісті алюмінію в складі модифікатора нижче нижньої межі не проявляється його вплив на структуру чавуну. При його вмісті в модифікаторі більше 1,5 мас. % спостерігається зниження ступеня сфероїдизації графітових включень та поява окисних плівок у виливках, і, як наслідок, знижуються механічні властивості та герметичність. Олово вводиться для підвищення ступеня перлітизації металевої основи і міцності високоміцного чавуну. Більша кількість олова в модифікаторі не рекомендується через можливе зменшення ударної в'язкості і підвищення твердості, особливо в чавуні з підвищеним вмістом кремнію, хоча при цьому форма графіту і показники міцності металу не погіршуються. Олово підвищує зносостійкість високоміцного чавуну, уповільнює розпад перліту під час термічного оброблення, вирівнює твердість та механічні властивості в товстих та тонких перетинах, збільшує корозійну стійкість чавуну. 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. Задача 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. Задача 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): 4,03 С; 2,40 Si; 0,23 Мn; 0,021 S; 0,05 Р. Модифікування розплаву модифікаторами виконували в реакційній камері ливарної форми, тривалість заливання якої становила 5-7 с. 2 UA 99434 U 5 10 Для дослідження структури та визначення тимчасового опору при розриванні (σв). умовної границі плинності (σт) та відносного подовження (δ) використовували циліндричні зразки діаметром 5 мм, вирізані з нижньої частини клиновидних проб з товщиною основи 10 мм. В табл. 2 представлені отримані результати внутрішньоформового модифікування чавуну. Запропонований склад модифікатора дозволяє зменшити його витрату на 23,0-46,2 %, сприяє збільшенню на 32,5-45,0 % швидкості розчинення і підвищенню показників міцності чавуну з кулястим графітом: тимчасового опору при розриванні (σв) на 8,5-23,5 %. умовної границі плинності (σт) - 12,6-25,7 %. 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 1,0 % від маси розплаву, що модифікується, при максимальному вмісті магнію 9,8 мас. % - 0,7 %. 15 Таблиця 1 Хімічний склад досліджуваних модифікаторів Витрата модифікатора, Модифікатор № п/п % від маси чавуну Відомий 1 1,30 2 1,00 Запропонований 3 0,85 4 0,70 Масова частка елементів, % Si Mg РЗМ Са Аl Ва Sn Сr Fe 56,2 64,2 59,7 56,8 5,2 5,1 7,6 9,8 1,10 0,45 0,68 0,35 0,75 1,42 1,25 1,34 0,76 1,34 0,95 0,85 1,92 2,03 2,15 3,1 3,7 4,8 6,3 4,6 3,2 решта решта решта решта Таблиця 2 Результати досліджень Модифікатор Відомий Запропонований Швидкість № п/п розчинення, г/с 1 2,28 2 3,02 3 3,13 4 3,32 Механічні властивості σв, МПа σ0,2, МПа δ, % 510 553 583 630 366 412 438 460 8,6 13,6 10,3 8,2 Структура металевої основи 65 % фериту, 35 % перліту 55 % фериту, 45 % перліту 31 % фериту, 69 % перліту 25 % фериту, 75 % перліту ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Сплав для модифікування чавуну в ливарній формі, що містить кремній, магній, кальцій, алюміній, залізо, рідкісноземельні метали, який відрізняється тим, що додатково містить барій, хром і олово при наступному співвідношенні компонентів, мас. част. %: кремній 55,0-65,0 магній 7,1-10,0 кальцій 1,0-1,5 барій 1,8-2,2 хром 3,0-7,0 алюміній 0,8-1,5 олово 3,0-5,0 рідкоземельні метали 0,3-0,7 залізо решта. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3