СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА СЕРОГО ЧУГУНА НАНОСЕКУНДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ (НЭМИ) ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ И ЖАРОСТОЙКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК B22D27/20 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения отливок из серых чугунов, требующих высокой теплопроводности с одновременным повышением их жаро- и коррозионной стойкости.

Известны способы обработки расплавов вакуумом, электрическим током, ультразвуком и вибрацией [1-4], снижающие газонасыщенность в алюминиевых и чугунных отливках, что должно способствовать увеличению их теплопроводности. Также существует способ обработки расплавов защитно-восстановительными флюсами, снижающими газонасыщенность в отливках [4], что приводит к увеличению теплопроводности.

Недостатками приведенных выше способов обработки расплавов являются использование дорогостоящего оборудования и ухудшение санитарно-гигиенических условий труда при использовании флюсов.

Все вышеперечисленные способы не позволяют увеличивать теплопроводность и коррозионностойкость более чем в 2,0 раза. В качестве наиболее близкого аналога по совокупности существенных признаков и назначению принят способ обработки жидкого чугуна, раскрытый в авторском свидетельстве SU 865512, B22D 27/02, 23.09.1981 [6].

Задача данного изобретения - увеличение степени усвоения реагентов и повышение механических свойств чугуна. Поставленная цель достигнута наложением на расплав электромагнитного поля и пропусканием электрического тока. Электромагнитное поле накладывают с частотой 6-15 Гц и напряженностью (1,5-2)-10 Э и пропускают через расплав электрический ток напряжением 30 В, при силе тока 2,5 А в течение 2-3 мин. При этом увеличился предел прочности при изгибе, время действия модификатора и повысился коэффициент усвоения модификатора или легирующей добавки.

Недостатки этого способа заключаются в том, что:

- электромагнитное поле накладывают с частотой 6-15 Гц и напряженностью (1,5-2)·10³ Э;

- не рассматривается влияние электромагнитного поля на теплопроводность, жаро- и коррозионностойкость серого чугуна.

В сравнении с прототипом заявленный способ обладает новизной, отличаясь созданием в расплаве однополярных импульсов тока длительностью менее 1 нс и мощностью более 1 МВт.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение теплопроводности и коррозионностойкости серого чугуна при воздействии на расплав наносекундных электромагнитных импульсов. При пропускании через расплавленный металл мощных электромагнитных импульсов тока в некоторые моменты времени возникают электромагнитные поля с очень высокой напряженностью до 10⁸…10¹⁰ В/м. Эти поля приводят к изменению свойств расплавленного и затвердевшего металла.

Технический результат - получение серого чугуна с повышенными теплопроводностью (более 2,0 раза) и коррозионностойкостью в среде 38%-ного раствора соляной кислоты (в 1,9-3,2 раза) при обработке его жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ).

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены графики влияния времени обработки НЭМИ жидкой фазы на теплопроводность и коррозионностойкость серого чугуна.

В ходе работы применяют серый чугун следующего состава, мас.%: 3,7 С; 1,0 Si; 0,5 Mn; 0,1 Р и S.

Схема установки, методика облучения расплавов и основные характеристики применяемого генератора НЭМИ (ГНИ-01-1-6) приведены в описании патента [5].

Характеристики оборудования, используемого для обработки жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами, методы определения жаро- коррозионностойкости:

1. Генератор НЭМИ (ГНИ-01-1-6) имеет следующие характеристики: полярность импульсов - положительная; амплитуда импульсов на нагрузке 50 Ом - 6000 В; длительность импульсов на половинном уровне - 0,5 нс; максимальная допустимая частота следования генерируемых импульсов - 1 кГц; задержка выходного импульса запуска - 120 нс; максимальный ток, потребляемый генератором во всем диапазоне питающих напряжений, не более 1,7 А при частоте 61 кГц.

2. Исследования коррозионностойкости, основанные на определении количества выделившегося водорода (объемный метод) в процессе взаимодействия металла с коррозионной средой (38%-ным раствором соляной кислоты) в газометрической установке (К_об.Н2). Параллельно определялась потеря массы образца по стандартной методике;

,

где ΔV - среднее изменение объема выделяющегося газа, приведенного к нормальным условиям, при установившейся скорости его выделения за определенный промежуток времени, см³;

Δτ - время проведения эксперимента, час;

S - площадь поверхности образца, см².

ΔV=р·0,9499, где р - число делений в газометрической установке. Коррозионная среда - 38%-ный раствор соляной кислоты. Коррозионностойкость чугуна изучается двумя способами: по изменению массы образца и объемному показателю К_об.Н2.

Выбор температуры перегрева 1500°С обоснован следующими соображениями:

Для полного растворения графитных включений разработан температурно-временной режим плавки серого чугуна, заключающийся в его нагреве до 1500°С с выдержкой при этой же температуре в течение 5 минут [7, 8]. Охлаждение расплава до температуры 1350°С со скоростью 20…100°С/мин не приводит к кристаллизации графитных включений, что экспериментально доказано методом закалки жидкого чугуна с температуры 1350°С.

Пример 1

Нагревают чугун до 1500°С, после пятиминутной выдержки охлаждают до температуры 1350°С и обрабатывают его НЭМИ в течение 5, 10, 15 и 20 мин. После отключения генератора расплав кристаллизуют со скоростью 20…50°С/мин. При такой скорости охлаждения расплава гарантируется получение серого чугуна с пластинчатым графитом.

Как видно из чертежа, теплопроводность λ чугуна изменяется от продолжительности обработки расплава НЭМИ по экстремальной зависимости с максимумом ее значения при 10-минутной обработке. Теплопроводность возрастает более чем в 2,0 раза по сравнению с необработанным НЭМИ чугуном.

Пример 2

При неизменных условиях плавки чугуна и охлаждения расплава до 1350°С исследовалось влияние продолжительности обработки расплава НЭМИ (5, 10, 15 и 20 мин) на коррозионностойкость серого чугуна (см. чертеж).

Установлено, что при 10-минутной обработке расплава НЭМИ наблюдаются минимумы показателей коррозии К_об.Н2 и Δm/S. По показателю К_об.Н2 коррозионностойкость серого чугуна возрастает в 3,2 раза, а по показателю в 2,14 раза.

В вышеуказанных примерах при оптимальной продолжительности обработки расплава НЭМИ наблюдаются максимальные значения теплопроводности и жаро- и коррозионной стойкости серого чугуна.

Список использованных источников:

1. Справочник «Чугун». Под редакцией А.Д.Шермана и А.Н.Жукова. - М.: Металлургия, 1991, с.92.

2. Справочник по чугунному литью. Изд-е 3-е, переработанное и дополненное. Под редакцией Н.Г.Гиршовича. - Л.: Машиностроение, 1978, с.59-60.

3. М.В.Мальцев. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. 2-ое издание, переработанное и дополненное. - М.: Металлургия, 1970, с.129-130.

4. Муравьев В.И., Якимов В.И., Ри Хосен и др. Изготовление литых заготовок в авиастроении. - Владивосток: Дальнаука, 2003, 611 с.

5. Патент RU 2287605 С1. Способ обработки расплава меди и ее сплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их теплопроводности. 21.03.2005 Авторы: Ри Э.Х., Ри Хосен, Белых В.В.

6. Патент SU 865512, B22D 27/02, 23.09.1981.

7. Ри Хосен, Худокормов Д.Н., Тазиков Э.Б. Выбор температурных режимов обработки расплавов чугуна на основе анализа, структурно-чувствительных свойств. Литейное производство. 1982 г., № 5.

8. Авт. св. СССР № 954425 от 21.05.1980 г. Способ легирования чугуна. Ри Хосен, Клочнев Н.И., Тейх В.А. и др.

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает нагрев и электромагнитную обработку расплава наносекундными электромагнитными импульсами. Расплав нагревают до температуры 1500°С и выдерживают при этой температуре в течение 5 минут. Электромагнитную обработку расплава проводят при температуре 1350°С в течение 10 минут. Достигается повышение теплопроводности и жаростойкости расплава. 1 ил.

Способ обработки расплава серого чугуна, включающий нагрев и электромагнитную обработку расплава, отличающийся тем, что нагрев расплава осуществляют до температуры 1500°С, выдерживают его при этой температуре в течение 5 мин, а затем при температуре 1350°С проводят электромагнитную обработку расплава наносекундными электромагнитными импульсами в течение 10 мин.