СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА Российский патент 1994 года по МПК C21C1/00 

Изобретение относится к металлургии и к литейному производству и может быть использовано для получения отливок общемашиностроительного назначения, требующих механической обработки.

Чугунные отливки, полученные различными способами обработки металла в печи, в ковше, в форме, обладают высокой прочностью и твердостью вследствие того, что вводимые добавки, как правило, воздействуют на весь объем отливки, что в дальнейшем приводит к плохой обрабатываемости изделий из-за образуемой приповерхностной корки. Кроме того, расплавы перед введением модифицирующих смесей, как правило, перегревают до 1580-1650^оС, что приводит к повышенному расходу электроэнергии.

Известен способ получения чугуна со сфероидальным графитом, включающий загрузку шихты в плавильный агрегат, доводку расплава до заданной температуры и модифицирование чугуна двумя способами: либо введением модифицирующей смеси в ковш, либо погружением его в форму. Для модифицирования чугуна используют FeSi, либо Fe-Si-Ca-Al в количестве 0,3-0,6% в первом случае и 0,1-0,25% во втором (Пат. США N 4838956, кл. С 21 D 5/14, 1989).

Данное изобретение обеспечивает наличие чугуна с шаровидным графитом с матрицей из смеси бейнита и остаточного аустенита, где количество графитовых зерен возрастает в связи с уменьшением влажности, что дает эффект на прочность и твердость отливки.

Описанный способ получения чугуна обеспечивает высокие физико-механические свойства отливок, однако, недостатком является то, что изделия плохо поддаются обработке, вследствие обезуглероживания приповеpхностного слоя.

Известен также способ получения чугуна, включающий загрузку шихты в плавильный агрегат, доводку расплава до заданной температуры, модифицирование расплава церийсодержащим веществом на первой стадии и кремнийсодержащим веществом на второй стадии. В шихту вводят 5-30% углеродистого полупродукта, а расплав перед модифицированием перегревают. В качестве кремнийсодержащего вещества используют ферросилиций, (авт.св. N 1537692,кл. С 21 С 1/00, 1990).

Недостатком данного способа является то, что вводимые в составе шихты модифицирующие вещества воздействуют на весь объем отливки, что приводит к упрочнению приповерхностного слоя, в результате этого изделия плохо обрабатываются.

Кроме того, расплав перед модифицированием перегружают до 1580-1650^оС, что приводит к повышенному расходу энергоносителя.

Известен способ получения чугуна, включающий его обработку в ковше ферросиликобарием, молотым коксом и алюминием. Ввод на поверхность расплава кокса и алюминия в количестве 10-30% от массы ферросиликобария при соотношении кокса и алюминия 1:(0,1-0,8) обеспечивает повышение предела прочности до 560-630 МПа и снижение брака отливок по засору до 0,2-0,4% (авт.св. N 1260392, кл. С 21 С 1/00, 1986).

Недостатком способа является плохая обрабатываемость отливок в связи с общим повышением прочностных характеристик материала за счет модифицирования и сфероидизации графита по всему сечению отливки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения чугуна с шаровидным графитом. Способ заключается в обработке расплава чугуна лигатурой редкоземельных металлов с криолитом в ковше и магнием с криолитом в литейной форме. Обработку металла в ковше смесью лигатуры редкоземельных металлов ведут в соотношении 10:(0,5-5,0) в количестве 0,1-0,5% от веса расплава, а в форме в соотношении 10:(0,2-2,0) в количестве 0,7-2,0% от веса расплава (авт.св. N 834141, кл. C 21 C 1/10, 1981).

Данный способ обеспечивает повышение физико-механических свойств отливок, но обрабатываемость их затруднена вследствие, главным образом, отбеленного слоя, а также из-за высокой прочности и твердости.

В основу изобретения положена задача путем введения новых компонентов и изменения соотношения компонентов при обработке расплава, как в ковше, так и в форме, получить отливки с хорошей обрабатываемостью при сохранении высокой прочности, твердости и пластичности.

Задача решена тем, что в предлагаемом способе получения чугуна, включающем выплавку чугуна заданного состава, обработку полученного расплава в ковше погружением в него модифицирующей смеси, содержащей криолит, и последующую обработку расплава в форме введением другой модифицирующей смеси, обработку расплава в ковше осуществляют модифицирующей смесью, содержащей дополнительно соединения тугоплавких металлов и инокулятор в виде ультрадисперсного порошка металла или его соединения, а обработку расплава в форме осуществляют модифицирующей смесью, содержащей смесь кокса и один или несколько компонентов из группы силикокальций, ферросилиций, при этом модифицирующую смесь в ковш погружают в количестве 0,020-0,095% от веса расплава, а в форму модифицирующую смесь вводят в количестве 0,15-0,45 кг/т.

Модифицирующая смесь для обработки расплава в ковше содержит компоненты в следующем количественном соотношении (мас.%): соединения тугоплавких метал- лов 60,0-80,0 инокулятор в виде ультрадисперс- ного порошка 0,6-0,8 криолит остальное.

Количественное соотношение соединений тугоплавких металлов и инокулятора в модифицирующей смеси поддерживают равным 100:(1-10).

Количественное соотношение кокса и одного или нескольких компонентов из группы силикокальций, ферросилиций в модифицирующей смеси поддерживают равным 1:(1-5).

Высокий эффект модифицирования в ковше на 1-м этапе модифицирующей смесью объясняется следующим: соединения тугоплавких металлов, входящие в состав модифицирующей смеси, диссоциируют под действием криолита с последующим образованием карбидов коллоидальной дисперсности, а ультрадисперные порошки выступают в качестве инокуляторов, так как при температурах чугуноплавильного процесса соединения в виде ультрадисперсных порошков не диссоциируют. При понижении температуры эти соединения играют роль центров кристаллизации, обусловливая объемный характер кристаллизации при смещении межкристаллического интервала в сторону более высоких температур. При этом обеспечивается высокая структурная и концентрационная однородность отливки по всему сечению, а следовательно, изотропность физико-механических характеристик; существенно повышается прочность, износостойкость и одновременно пластичность отливки. Введение модифицирующей смеси менее 0,02% не дает должного эффекта по уровню прочности и износостойкости, а выход за верхний предел (0,095%) приводит к снижению пластичности и значительному ухудшению обрабатываемости. Соотношение компонентов в составе модифицирующей смеси определяется по соединениям тугоплавких металлов 60-80% и инокулятору 0,6-8,0%, криолит - остальное.

Выход за верхние пределы по промпродуктам модифицирующих элементов приводит к тому, что часть оксидов не восстанавливается из-за нехватки криолита. Выход за нижний предел не дает эффекта модифицирования из-за нехватки инокуляторов. При выходе за верхний предел резко возрастает стоимость материалов при незначительном увеличении эффекта.

Соединения тугоплавких металлов и инокулятор, взятые в соотношении 100: (1-10), приводят к тому, что обеспечиваются оптимальные параметры процесса. При этом, если соотношение меньше, чем 100:10, удорожаются материалы при незначительном повышении эффективности по сравнению с оптимальным диапазоном концентраций; а если больше, чем 100:1 - эффект заметно снижается.

Введение в литейную форму при использовании реакционной камеры, по крайней мере, одного или нескольких компонентов из группы силикокальций, ферросилиций с коксом приводит к тому, что эти добавки увлекаются потоком расплава из реакционной камеры в форму и локализуются, в основном, на поверхности отливки, металл которой в результате насыщается кремнием, что ведет к резкому снижению отбела. Изменение концентрационного состава поверхностного слоя обусловливает снижение отбела и появление в приповерхностном слое столбчатой структуры. Структура основной массы отливки при этом определяется модифицированием на 1 этапе модифицирующей смесью. При образовании зоны столбчатых кристаллов металл в этой зоне отличается по своей структуре и концентрации от основной массы металла отливки. Он обладает меньшей прочностью и хорошо обрабатывается резанием. При этом основная масса сохраняет структуру, описанную выше с высоким уровнем физико-механических свойств.

При содержании компонентов, вводимых на 2-ом этапе, менее 0,15 кг/т резко возрастает вероятность пятнистой структуры с отдельными участками отбела, а при содержании выше 0,45 кг/т толщина слоя столбчатой структуры увеличивается и влияет на снижение прочностных характеристик отливки. В случае введения в форму кокса в комплексе с одним из остальных элементов или их суммой, наилучшие результаты получаются при соотношении 1:(1-5).

П р и м е р 1. В тигель 150-и килограммовой индукционной печи в соответствии с расчетом шихты загружали компоненты для получения серого чугуна марки СЧ15. После расплавления шихты и доводки расплава по химсоставу, его выпускали в приемный ковш, на дно которого предварительно поместили модифицирующую смесь, состоящую из соединений тугоплавких металлов, в частности сфен-циркона, ультрадисперсного порошка состава Al₂O₃(90%) ТУ 4-25-90 и криолита. Модифицирующую смесь допускается давать на струю металла на желоб.

После необходимой выдержки металл разлили по формам. В реакционную камеру предварительно ввели модифицирующую смесь, содержащую силикокальций, ферросилиций, кокс.

Полученный чугун имел состав основных компонентов (мас.%): углерод 3,22-3,87; кремний 1,50-2,10; марганец 0,63-1,01; сера 0,018-0,044; фосфор 0,066-0,099; железо остальное.

Модифицирование на I и II этапах осуществляли в процессе фракционного выпуска (разливки) при изменении количественного соотношения модифицирующей смеси и их состава (табл.1).

Образцы, полученные описанным способом, подвергались испытаниям для определения механических свойств и величины отбела по стандартным методикам (табл.2).

Обрабатываемость оценивалась по скорости резания при точении образцов: глубина резания 2,5 мм (опытн.) и 1,5 мм (прототип), подача 0,8 мм/оборот (опытн.) и 0,4 мм/оборот (прототип).

П р и м е р 2. В тигель 150-и килограммовой печи в соответствии с расчетом шихты загружали компоненты для получения серого чугуна марки СЧ15. После расплавления шихты и доводки расплава по химсоставу, его выпускали в ковш. На дно ковша поместили модифицирующую смесь, содержащую соединения тугоплавких металлов, в частности, сфен-циркона и инокулятора ультрадисперсного порошка железа (ТУ ВТУ-144ВН-88) и криолита.

После выдержки в течение 1...3 мин металл разлили по формам. В реакционную камеру предварительно ввели модифицирующую смесь, содержащую силикокальций, ферросилиций, кокс.

Полученный чугун имел состав основных компонентов (мас.%): углерод 3,28 марганец 0,80 фосфор 0,078 кремний 1,70 сера 0,032 железо остальное
Модифицирование в ковше и в форме осуществляли в процессе фракционного выпуска при изменении количественного соотношения модифицирующей смеси и состава чугуна (табл.1, образец 443). Образец, полученный описанным способом, подвергался испытаниям для определения механических свойств и величины отбела по стандартным методикам (табл.2, образец 443).

Обрабатываемость оценивалась по скорости резания при точении образца: глубина резания 2,5 мм, подача 0,8 мм/оборот.

П р и м е р 3. Аналогичным способом осуществляли обработку расплава в ковше и в форме. Однако в качестве инокулятора ультрадисперсного порошка вводили оксид железа Fe₂O₃ (ТУ ВТУ-4-25-90). Результаты исследований приведены в табл.1, 2 (образец 444).

Дополнительно для сравнения испытаны образцы из исходного чугуна (табл. 1, 2, образец 315) для повышения репрезентативности, сравнение с которыми показало, что заявленный способ получения чугуна обеспечивает одновременно с улучшением обрабатываемости повышение прочности и пластичности исходного чугуна более чем в 2 раза.

Анализ характеристик отливок чугуна, полученного заявленным способом, показывает, что отливки обладают при высокой прочности и пластичности хорошей обрабатываемостью, что связано со снижением величины отбела.

Использование: металлургия и литейное производство, в частности получение отливок общемашиностроительного назначения, требующих механической обработки. Путем введения новых компонентов и изменения соотношения компонентов при обработке расплава как в ковше, так и в форме, получить отливки с хорошей обрабатываемостью при сохранении высокой прочности, твердости и пластичности. Сущность изобретения: шихту загружают в печь, доводят расплав до заданной температуры, производят модифицирование металла путем последовательного введения модифицирующих смесей, на первом этапе в ковш, на втором в форму. Модифицирование в ковше производят смесью, содержащей соединения тугоплавких металлов, инокулятор в виде ультрадисперсного порошка металла или его соединения, и криолита, в количестве 0,020 - 0,095% от веса жидкого металла. Модифицирование в форме производят путем введения в расплав смеси, состоящей из кокса и одного или нескольких компонентов из группы силикокальций, ферросилиций в количестве 0,15 - 0,45 кг/т, соединения тугоплавких металлов, инокулятор вводят в соотношение 100 : (1 - 10), комплексное модифицирование осуществляют в форме коксом совместно с силикокальцием и/или ферросилицием, взятых в соотношение 1 : (1 - 5). 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА, включающий выплавку чугуна заданного состава, обработку полученного расплава в ковше погружением в него модифицирующей смеси, содержащей криолит, и последующую обработку расплава в форме введением другой модифицирующей смеси, отличающийся тем, что обработку расплава в ковше осуществляют модифицирующей смесью, содержащей дополнительно соединения тугоплавких металлов и инокулятор в виде ультрадисперсного порошка металла или его соединения, а обработку расплава в форме осуществляют модифицирующей смесью, содержащей смесь кокса и один или несколько компонентов из группы силикокальций, ферросилиций, при этом модифицирующую смесь в ковш погружают в количестве 0,020 - 0,095% от массы расплава, а в форму модифицирующую смесь вводят в количестве 0,15 - 0,45 кг/т. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модифицирующая смесь для обработки расплава в ковше содержит компоненты в следующем количественном соотношении, мас.%:
Соединения тугоплавких металлов 60,0 - 80,0
Инокулятор в виде ультрадисперсного порошка 0,6 - 0,8
Криолит Остальное
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что количественное соотношение соединений тугоплавких металлов и инокулятора в модифицирующей смеси поддерживают равным 100 : (1 - 10). 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количественное соотношение кокса и одного или нескольких компонентов из группы силикокальций, ферросилиций в модифицирующей смеси поддерживают равным 1 : (1 - 5).