КОМПЛЕКСНЫЙ МОДИФИКАТОР Российский патент 2008 года по МПК C22C35/00 B22D21/00 B22D27/20 

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейному производству, в частности к ковшовому или внутриформенному модифицированию чугуна, сталей и цветного литья для повышения прочностных, износостойких и пластических свойств изделий, являющейся актуальной задачей всех стран.

Ресурсосбережение - одна из самых главных задач, решаемых на всех предприятиях сообщества. Это обусловлено постоянно растущими ценами на железорудное сырье, другие материалы и, как следствие, на металл. На машиностроительных, металлургических и других предприятиях применяется большое количество различных марок чугуна, стали и цветного литья для изготовления сменно-запасных деталей, оборудования и инструментов.

Наиболее сильные модификаторы - Cr, Ва, Са.

Si, Al, С - обладают графитизирующими свойствами, однако немного увеличивают первичный аустенит и слабо влияют на чистоту межзеренных границ вторичных структур, но улучшают литейные свойства, а именно жидкотекучесть, а также снятие отбела (цементитной составляющей).

Нерастворимые модифицирующие добавки имеют свои особенности и это является критической оценкой их влияния.

Так, например, введения и расплав тугоплавких частиц можно рассматривать как центры кристаллизации, это происходит, если на поверхности возникнет зарождение кристаллов первичной фазы, зависящее от свойств частицы и их размера, и важным является взаимодействие их с расплавом. Это соединение (частица - твердая фаза - расплав) является устойчивым, когда свободная энергия системы уменьшается.

Следует отметить, что величина оболочки металлической фазы на поверхности частицы во многом зависит от соотношения термодинамических свойств модификатора и расплава, т.е. чем выше разница между температурами плавления модификатора и металла расплава, тем больше его эффективность. Также важно электронное сродство модификаторов и расплава, т.е. модификаторам необходимо иметь металлический тип проводимости.

Данные для оценки модифицирующей эффективности некоторых тугоплавких соединений приведены в Таблице 1.

Таблица 1СоединениеТемпература плавления, КРастворимость в расплаве, %Энтальпия кДж/мольТип проводимостиSiC3080-разлагается-48Металлическийwe3046-разлагается3,560МеталлическийBN3240Нет83ПолупроводниковыйTaN3360-разлагаетсяХим. реакция99МеталлическийVC29703,0103МеталлическийNbC38701,0134ПолупроводниковыйTaC42700,5140МеталлическийTiN3220нет149МеталлическийTiCN3290нет155МеталлическийTiC3340нет156МеталлическийZrN3250нет175МеталлическийZrC3690нет180Металлический

Из приведенных данных в этой таблице мы видим, что для приготовления модификаторов нового поколения (МНП) в комплексных соединениях наиболее приемлемыми являются добавки с инокулирующим действием на основе соединений Ti и Zr. Карбид кремния (SiC) является графитизирующим компонентом и относится к разлагаемым соединениям (SiC=Si+C).

Работа многокомпонентных соединений в МНП зависит от процесса растворения, кристаллизационного роста, коагуляции, дисперсности первичных и вторичных структур, влияющих на графитизацию, кинетических особенностей поведения частиц в расплаве, электронного строения, физических свойств входящих элементов.

Огромное значение в (разработке) комплексных МНП для различных видов литья (чугун, сталь, цветное, центробежное, непрерывное, космическое, машиностроительное и т.д.) имело исследование теплофизических свойств с помощью симплекс-решетчатого планирования, важно было определить критериальную активность модификаторов, учесть все многообразие явлений, протекающих в расплавах, учесть минимальные и максимальные значения тех или иных свойств. (см. табл.2)

Критериальная оценка модифицирующей эффективности растворимых модификаторов
Таблица 2На дисперсность первичного аустенитаХ.Э.NaLiMgCaСеSrBaYLaScZrTiHfAlSiСТаК_o×10³9,9×10³9,8×10³3,1×10³2,0×10³1,9×10³9,9×10²9,0×10²7,0×10²4,2×10²4,0×10²26,02,52,0-9,0-20,5-21,0-45,0На величину отбела и дисперсность графитной фазыХ.э.SrBaAlCaSiNaLiССеLaYMgScZrHfTiТаK₂×10³1,771,701,501,181,00,430,430,35Малые добавки (≤1,1)0-0,24-0,24-0,3-0,65На структуру и чистоту границ металлической матрицыХ.Э.CaSrBaСеYLaMgAlSiZrHfСTiScТаLiNak₁×10³15,410,09,56,35,14,74,42,82,52,32,3-2,22,01,80,60,6

К_о - дисперсность первичного густения всех элементов в таблице;

К₂ - величина отбела и дисперсность графитной фазы;

K₁ - влияние на структуру металлической фазы.

Применение комплексных МНП на машиностроительных, чугунолитейных и сталелитейных предприятиях даст возможность получить существенную экономическую прибыль, так как повышение надежности и долговечности изделий ответственного назначения является актуальной задачей, решение которой неразрывно связано с экономикой дефицитных материалов и энергоресурсов. Поэтому вопросы экономного модифицирования комплексным МНП при условии полной или частичной замены дефицитных и дорогостоящих элементов (Мо, V, W, Ni и др.), а также снижение металлоемкости технологических процессов и повышение качества литых изделий являются актуальной задачей и проблема имеет мировое значение для всех государств.

Основными недостатками всех предыдущих разработок являлось значительное окисление этих модификаторов, низкое их усвоение и, как следствие, высокий расход.

Известны технические решения для обработки литейных изделий, например патенты №17647А, №29736А, №28485A С22С 35/00 (авторы Филипчик А.Н. и др.).

Однако все они предназначены для определенного литья, а именно для простого модифицирования, сфероидизирующего модифицирования и инокулирующего модифицирования.

Последние разработки позволили создать уникальный модификатор, состоящий из 32 различных элементов - карбидов, нитридов и боридов, способный работать в стали, чугуне, цветном литье и материалах, повышая их механические и прочностные свойства.

Комплексный модификатор, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.:

Карбид кремния0,2-76,Борид вольфрама0,2-70,Медь0,2-57,Карбид бора0,1-45,Силицид магния0,2-47,Нитрид титана0,5-60,Карбид титана0,1-51,Борид титана0,1-50,Кальций0,1-56,Карбид циркония0,2-59,Карбид вольфрама0,1-52,Нитрид циркония0,5-40,Нитрид бора0,5-28,Борид циркония0,1-25,Карбид ванадия0,3-39,Нитрид кремния0,2-70,Карбид ниобия0,5-46,Борид ниобия0,5-15,Нитрид церия0,5-27,Борид хрома0,1-65,Силицид хрома0,1-81,Карбид магния0,2-35,Карбид тантала0,3-28,Нитрид магния0,5-20,Нитрид алюминия0,5-49,Борид магния0,2-15,Борид молибдена0,4-71,Карбид церия0,1-50,Карбид молибдена0,4-52,Силицид церия0,2-40,Борид ванадия0,1-36,Борид церия0,1-45,

Компоненты МНП плакируются смесью твердых углеводородов метанового ряда.

Комплексные модификаторы нового поколения (МНП) улучшают диффузию в металлах, обладают модифицирующим свойствами, сфероидизирующими и инокулирующими свойствами.

Расход МНП на 1 тонну чугуна, стали и цветного литья составляет 150-1500 г.

Эти элементы изменяют кристаллическую решетку, измельчают структуру, повышают прочностные свойства без наличия краевого отбела в отливках.

Предлагаемые модификаторы были апробированы на заводах Украины, где был получен высокий экономический и модифицирующий эффект.

Обработка предложенными комплексными модификаторами нового поколения (МНП) позволяет повысить эксплутационные показатели отливок для металлургической, машиностроительной, авиационной и космической промышленности.

Основными направлениями комплексных модификаторов нового поколения (МНП) является создание модификаторов, придающих литью и материалам следующие свойства:

МНП-1 - устранение отбела;

МНП-2 - устранение газовых раковин;

МНП-3 - повышение механических свойств;

МНП-4 - повышение износостойкости;

МНП-5 - повышение жаропрочности;

МНП-6 - измельчение структуры;

МНП-7 - устранение термообработки;

МНП-8 - устранение графитизирующей и сфероидизирующей обработки;

МНП-9 - устранение дефектов газоусадочного характера;

МНП-10 - устранение трещинообразования;

МНП-11 - получение высокопрочного чугуна;

МНП-12 - получение высокопластичного чугуна;

МНП-13 - улучшение прочностных и механических свойств цветного литья

МНП-14 - получение антирадиационных свойств материалов (чугуна, стали, кирпича, резины и др.)

Экономика внедрения МНП определяется следующими параметрами:

- снижение брака литья;

- экономия энергоресурсов;

- экономия ферросплавов по их весовому расходу на плавку;

- экологически чистый процесс - меньше выброс угарных газов;

- повышение качества металла по механическим и прочностным свойствам;

- уменьшение засоренности изделий неметаллическими включениями (НВ);

- снижение припусков на механическую обработку;

- устранение термообработки;

- повышение износостойкости изделий;

- повышение жаропрочности изделий;

- увеличение порога хладноломкости изделий (актуально для батарей, задвижек, труб при низких атмосферных температурах);

- изготовление материалов (металл, кирпич, резина, ткань и т.д.) для уменьшения или устранения радиоактивного воздействия;

- увеличение свойств пластичности;

- возможность изготовления штампов из чугуна вместо стали;

- штамповка чугуна, прокатка чугуна т.е. обработка чугуна давлением (трубы, арматура, уголка и т.д.);

- снижение стоимости модификатора (за счет уменьшения необходимого его количества) по сравнению с существующими на 1 т литья в 10-100 раз.

Экономика внедрения МНП - это получение чугуна с физическими свойствами сталей и др. материалов, плюс экономия энергоресурсов, экономия дорогостоящих лигирующих металлов при производстве и получение высококачественных изделий на более высоком техническом уровне.

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейному производству, в частности к ковшевому или внутреформенному модифицированию чугуна, сталей и цветного литья для повышения прочностных, износостойких и пластических свойств изделий. Комплексный модификатор содержит компоненты при следующем соотношении, мас.: карбид кремния 0,2-76, медь 0,2-57, силицид магния 0,2-47, карбид титана 0,1-51, кальций 0,1-56, карбид вольфрама 0,1-52, нитрид бора 0,5-28, карбид ванадия 0,3-39, карбид ниобия 0,5-46, нитрид церия 0,5-27, силицид хрома 0,1-81, карбид тантала 0,3-28, нитрид алюминия 0,5-49, борид молибдена 0,4-71, карбид молибдена 0,4-52, борид ванадия 0,1-36, борид вольфрама 0,2-70, карбид бора 0,1-45, нитрид титана 0,5-60, борид титана 0,1-50, карбид циркония 0,2-59, нитрид циркония 0,5-40, борид циркония 0,1-25, нитрид кремния 0,2-70, борид ниобия 0,5-15, борид хрома 0,1-65, карбид магния 0,2-35, нитрид магния 0,5-20, борид магния 0,2-15, карбид церия 0,1-50, силицид церия 0,2-40, борид церия 0,1-45. Изобретение позволяет снизить брак по литейным изделиям, повысить механические и прочностные характеристики, повысить износостойкость и жаропрочность изделий, изготовить материалы, например металл, кирпич, резина, ткань для уменьшения или устранения радиоактивного воздействия. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Комплексный модификатор, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.:

Карбид кремния0,2-76Борид вольфрама0,2-70Медь0,2-57Карбид бора0,1-45Силицид магния0,2-47Нитрид титана0,5-60Карбид титана0,1-51Борид титана0,1-50Кальций0,1-56Карбид циркония0,2-59Карбид вольфрама0,1-52Нитрид циркония0,5-40Нитрид бора0,5-28Борид циркония0,1-25Карбид ванадия0,3-39Нитрид кремния0,2-70Карбид ниобия0,5-46Борид ниобия0,5-15Нитрид церия0,5-27Борид хрома0,1-65Силицид хрома0,1-81Карбид магния0,2-35Карбид тантала0,3-28Нитрид магния0,5-20Нитрид алюминия0,5-49Борид магния0,2-15Борид молибдена0,4-71Карбид церия0,1-50Карбид молибдена0,4-52Силицид церия0,2-40Борид ванадия0,1-36Борид церия0,1-45