СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА И СИЛУМИНА Российский патент 2012 года по МПК C21C1/00 C22C21/02 

Описание патента на изобретение RU2439166C2

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в литейном производстве для модифицирования чугуна и силумина.

Известен способ модифицирования чугунов и сталей (патент РФ №2122926, «Способ получения порошков, гранул и брикетов активных металлов и сплавов и технологическая линия для его осуществления», МПК B22F 9/04, опубл. 10.12.1998), включающий введение в их расплав порошка, содержащего тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы и вещество-протектор, в котором порошок подвергают механическому воздействию и затем вводят под струю расплавленного металла. Размер частиц порошка составляет не более 0,1 мкм, а смесь тугоплавких дисперсных неметаллических частиц имеет 50-90 мас.% и вещества-протектора остальное. Обработку смеси проводят в инертной атмосфере.

Недостатком является необходимость создания инертной атмосферы.

Известен способ получения чугуна (патент РФ №2016071, «Способ получения чугуна», МПК С21С 1/00, опубл. 15.07.1994), включающий загрузку шихты в печь, доводку расплава до заданной температуры и 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 массы 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 соотношении 1:(1-5).

Недостатком способа является технологическая усложненность и большой расход модификатора.

Известен способ получения чугуна с шаровидным графитом (заявка РФ №93052790 «Способ получения чугуна с шаровидным графитом», МПК B22D 27/20, опубл. 20.11.1996), включающий ввод в жидкий металл магний- и кремнийсодержащих материалов в виде ультрадисперсных порошков, преимущественно силицида магния и карбида кремния с размером частиц 0,01-1,0 мкм и соотношением 1:1-3. Кроме того, ультрадисперсные компоненты плакируются смесью твердых углеводородов, преимущественно парафином.

Недостатком способа является большой расход модификатора.

Известен способ внепечного модифицирования чугунов и сталей (заявка РФ №2007106678/02 «Способ внепечного модифицирования чугунов и сталей», МПК С21С 1/00, опубл. 20.01.2009), в котором под струю металла или непосредственно в форму во время разливки металла вводят модификатор в виде порошка, который содержит 50-90 мас.% тугоплавких керамических частиц размером не более 0,1 мкм, плакированных веществом-протектором. Модификатор вводят в количестве 0,005-0,1 мас.% в пересчете на тугоплавкие керамические частицы, а в качестве вещества-протектора используют хром или никель или их смесь. Изобретение позволяет уменьшить зерна металла в 2-3 раза, увеличить содержание перлита в металлической основе, изменить формы графитовых включений с пластинчатой на розеточную, в результате чего повышается коррозионная стойкость стали и чугунов в 2-3 раза и их стойкость к абразивному износу в 1,4 раза.

Недостатком способа является высокая стоимость модификатора. Известен способ модифицирования чугуна (патент РФ №2254377. «Способ модифицирования чугуна», МПК С21С 1/08, опубл. 20.06.2005), который включает обработку расплава плакированной парафином смесью ультрадисперсного порошка оксида железа с порошком алюминия и графита, при этом в расплав дополнительно вводят порошок молибдена в количестве 0,4-0,5% от массы расплава с размером частиц 10-100 мкм. Способ позволяет повысить эффективность усвоения модификатора и экономичность процесса модифицирования, а также увеличить износостойкость отливок в 1,5 раза.

Недостатком способа является высокая стоимость модификатора.

Известен способ модифицирования чугунов и сталей (патент РФ №2121510. «Способ модифицирования чугунов и сталей», МПК С21С 1/00, опубл. 10.11.1998), в котором в расплав чугунов и сталей вводят модификатор, содержащий тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы и вещество-протектор. Перед введением в расплав под струю расплавленного металла смесь тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора подвергают обработке (одновременному дроблению, активированию и плакированию тугоплавких дисперсных неметаллических частиц) до получения порошка с размером тугоплавких дисперсных неметаллических частиц не более 0,1 мкм, после чего получившийся порошок вводят в расплавленный металл. Порошок получают совместным помолом тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора при следующем соотношении (мас.%): тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы 50-90%; вещество-протектор - остальное. Помол смеси тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора проводят в инертной атмосфере.

Недостатками способа являются многочисленность операций при подготовке модификатора и большой его расход.

Известен способ модифицирования жидких металлов и сплавов (патент РФ №2143008. «Способ модифицирования жидких металлов и сплавов», МПК С21С 7/00, опубл. 20.12.1999) принятый за прототип, включающий модифицирование расплава введением в него дисперсного порошка оксида алюминия Al2O3. Порошок подают с размером частиц 100-200 мкм в количестве 0,005-0,01% от массы расплава, плакированный смесью твердых углеводородов, преимущественно парафином, при этом порошок оксида алюминия после измельчения перед плакированием предварительно обрабатывают в плазмотроне плазменной струей с температурой 1300-1400°С. Способ обеспечивает получение микрокристаллической структуры металла отливок и повышение его физико-механических свойств.

Недостатком способа является сложность подготовки порошка-модификатора с использованием плакирования и обработки плазменной струей.

Задачами предлагаемого изобретения являются упрощение технологии, повышение качества металла и литейных изделий, за счет уменьшения размера частиц порошка-модификатора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что модифицирование чугуна и силумина ультрадисперсным порошком, содержащим оксид алюминия Al2O3, проводят путем подготовки ультрадисперсного порошка, в виде смеси, дополнительно содержащей карбидоподобную фазу FeAlCn и гидрооксид алюминия Al(OH)3, с размером частиц 102-103 нм, при этом измельчение смеси производят в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс, преимущественно 0,2-0,3 Тс, и вводят полученный порошок в расплав металла.

Измельчение смеси проводят путем активного перемешивания и/или виброгрохочения с регулированием размера щели вальцов грохота.

Сущность способа заключается в следующем.

Перед вводом модификаторов, которые представляют ультрадисперсный порошок (УДП) смеси FeAlCn, Al(ОН)3, Al2О3 с размером частиц 102-103 нм в количестве 0,005-0,1 мас.% металла, его подвергают механическому воздействию активным перемешиванием и/или виброгрохочением в магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс, преимущественно 0,2-0,3 Тс. Механическое воздействие (перемешивание и/или виброгрохочение) снимает инертную пленку с поверхности частиц УДП, т.к поверхность любой частицы конденсированного вещества всегда заряжена отрицательно за счет термоэлектронной эмиссии.

Механическое воздействие на твердые частицы вызывает сдвиговые деформации с образованием дислокации, что происходит под воздействием внешнего момента импульса L. В соответствии с принципом Ле Шателье, если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, то состояние равновесия сместится в направлении внутреннего процесса, течение которого ослабляет влияние внешнего воздействия. В системе электронов связи и ионов решетки твердого тела механическим моментом импульса или спином (S=+1/2h), где h - постоянная Планка, обладают электроны. Под воздействием внешнего механического момента электроны на уровне Ферми решетки распариваются, и тело приобретает общий внутренний суммарный механический момент ΣS, который направлен противоположно внешнему механическому моменту L, т.е. в системе «внешняя среда - твердое тело» наблюдается локальное равенство L=ΣS.

Поверхность частиц УДП с некомпенсированными электронами обладает большой реакционной способностью и при вводе в жидкий металл нанопорошки интенсифицируют процесс зарождения твердой фазы и измельчают конечную структуру отливки.

Одновременное наложение механического воздействия и постоянного магнитного поля на УДП перед заливкой металла в формы усиливает эффект распаривания электронов на поверхности наночастиц, что приводит к возрастанию их модифицирующего воздействия на металлы и сплавы.

Сплав Fe-Al-C из исходных компонентов выплавляли в печи Таммана в составе, % мас.: Al (26-32); C (0,8-1,3); Fe (остальное). При кристаллизации сплава образуется сложная карбидоподобная фаза FeAlCn и карбид алюминия Al2C3. Сплавы такого состава называют алюминиевыми чугунами, в которых углерод находится в связанном состоянии.

Металлографический и рентгенофазовый анализ показал, что карбид алюминия Al4C3 легко взаимодействует с влагой воздуха при комнатной температуре по реакции

Al4C3+12Н2O→4Al(ОН)3+СН4↑.

В результате продукты реакции имеют объем, в 103 раз больший объема исходных веществ, при этом массивные образцы сплавов рассыпаются в тонкодисперсный порошок с размерами частиц 102-103 нм, состоящий из смеси FeAlCn, Al(ОН)3, Al2О3.

Пример

Полученным порошком обрабатывался серый чугун состава (мас.%): углерод 3,5-3,6; кремний 1,9-2,2; марганец 0,5-0,6; фосфор 0,25-0,3; сера 0,1-0,13; железо - остальное.

Чугун выплавляли в печи Таммана. Ультрадисперсный порошок, полученный из сплава FeAlCn в виде фаз Al2О3, Al3C4 и FeAlCn, подвергали механическому воздействию и пропускали через вальцы грохота с регулируемой щелью и индуктивную катушку, которая позволяла достичь напряженности магнитного поля ≈0,3 Тс, а затем смешивали со струей жидкого металла при заливке в форму.

Результаты экспериментов представлены на чертеже, где на гистограмме размеров включений графита приняты следующие обозначения: 1 - исходный чугун; 2 - обработанный УДП; 3 - обработанный УДП, подвергнутый механическому воздействию; 4 - УДП, обработанный постоянным магнитным полем; 5 - УДП, обработанный механическим воздействием и магнитным полем. Экспериментально установлено, что снижение напряженности магнитного поля менее 0,1 Тс неэффективно, а повышение выше 0,5 не дает приращения эффективности воздействия магнитного поля.

Оценку размеров включений графита осуществляли по ГОСТ 3443-77.

В исходном чугуне длина пластин графита составляла 240-280 мкм (базовый вариант), при совместном влиянии сдвиговой деформации и магнитного поля на УДП длина графитовых включений резко уменьшилась и составила 100-120 мкм, что повышает качество металла. Испытание механических свойств чугуна проводилось по ГОСТ 1497-84 и после предложенной модификации свойства сопротивления деформации повысились с 210-230 МПа (базовый вариант) до 300-330 МПа.

При модифицировании силумина аналогичным путем получены результаты, показанные на гистограмме на чертеже.

Таким образом, предлагаемым способом достигается улучшение качества порошка-модификатора за счет снижения размера его частиц смеси до нанометрового диапазона, что существенно влияет на качество получаемых металлов (чугунов, силуминов). А также упрощается этап подготовки модификатора за счет исключения операций плакирования твердыми углеводородами и плазменной обработки, требующей использования энергоемкого оборудования - плазматрона, что позволяет также снизить затратность способа.

Похожие патенты RU2439166C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ (СИЛУМИНОВ) УГЛЕРОДОМ 2013
  • Изотов Владимир Анатольевич
  • Чибирнова Юлия Валентиновна
RU2538850C2
СПОСОБ ВНЕПЕЧНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ 2007
  • Полубояров Владимир Александрович
  • Черепанов Анатолий Николаевич
  • Коротаева Зоя Алексеевна
  • Ушакова Елена Петровна
RU2344180C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПАКТИРОВАННОГО МОДИФИКАТОРА ЧУГУНА НА ОСНОВЕ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Новомейский Юрий Донатович
  • Новомейский Михаил Юрьевич
  • Князев Алексей Сергеевич
  • Гордеев Александр Вячеславович
RU2522926C1
ШУНГИТ КАК МОДИФИКАТОР ДЛЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ 2015
  • Изотов Владимир Анатольевич
  • Чибирнова Юлия Валентиновна
  • Серов Роман Андреевич
  • Вишталюк Алексей Александрович
  • Кононенко Виталий Константинович
RU2609109C1
СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ 1996
  • Черепанов А.Н.
  • Полубояров В.А.
  • Жуков М.Ф.
  • Дробяз А.И.
  • Мирошник Н.П.
  • Ушакова Е.П.
RU2121510C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА 2009
  • Сенкус Витаутас Валентинович
  • Селянин Иван Филиппович
  • Куценко Андрей Иванович
  • Гетман Александр Анатольевич
  • Дорошилов Алексей Викторович
  • Сенкус Валентин Витаутасович
  • Стефанюк Богдан Михайлович
  • Архипова Елена Сергеевна
  • Володина Людмила Всеволодовна
  • Баженов Сергей Сергеевич
RU2425161C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ БАББИТА 2006
  • Бирюков Владилен Борисович
  • Сенкус Витаутас Валентинович
  • Бирюкова Екатерина Владиленовна
  • Бирюков Александр Владиленович
  • Сенкус Валентин Витаутасович
RU2343216C2
СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА 2003
  • Викулин В.В.
  • Гурина Т.В.
  • Шкарупа И.Л.
RU2254377C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛИГАТУРЫ НЕОДИМ-ЖЕЛЕЗО ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НЕОДИМ-ЖЕЛЕЗО-БОР 2015
  • Буйновский Александр Сергеевич
  • Полубояров Владимир Александрович
  • Софронов Владимир Леонидович
  • Русаков Игорь Юрьевич
  • Макасеев Юрий Николаевич
  • Карташов Евгений Юрьевич
  • Калаев Михаил Евгеньевич
RU2626841C2
МОДИФИКАТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЧУГУНА 1993
  • Шатов Вадим Васильевич[Ru]
  • Комляков Владимир Иванович[Ru]
  • Павлов Сергей Петрович[Ru]
  • Калинин Василий Тимофеевич[Ua]
RU2069702C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 439 166 C2

Реферат патента 2012 года СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА И СИЛУМИНА

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в литейном производстве для модифицирования чугуна и силумина. Модифицирование металлов выполняют ультрадисперсным порошком (УДП) в виде смеси, содержащей карбидоподобную фазу FeAlCn, оксид алюминия Аl2О3 и гидрооксид алюминия Al(ОН)3 с размером частиц 102-103 нм, измельчают смесь в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс и вводят полученный порошок в расплав. Изобретение позволяет повысить качество производимого металла и литейных изделий за счет уменьшения размера частиц порошка-модификатора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 439 166 C2

1. Способ модифицирования чугуна и силумина ультрадисперсным порошком, содержащим оксид алюминия Al2O3, характеризующийся тем, что подготавливают ультрадисперсный порошок в виде смеси, дополнительно содержащей карбидоподобную фазу FeAlCn и гидрооксид алюминия Al(OH)3 с размером частиц 102-103 нм, измельчают смесь в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс и полученный порошок вводят в расплав.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение смеси проводят в магнитном поле напряженностью преимущественно 0,2-0,3 Тс.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение смеси производят путем активного перемешивания и/или виброгрохочения с регулированием размера щели вальцов грохота.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2439166C2

СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 1999
  • Лезник И.Д.
  • Павлюков Ю.С.
  • Шкарупа И.Л.
RU2143008C1
СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ 1996
  • Черепанов А.Н.
  • Полубояров В.А.
  • Жуков М.Ф.
  • Дробяз А.И.
  • Мирошник Н.П.
  • Ушакова Е.П.
RU2121510C1
Модификатор для стали 1987
  • Сабуров Виктор Петрович
  • Миннеханов Гизар Нигъматьянович
  • Мусялов Сергей Владимирович
SU1497260A1
Модификатор 1983
  • Рауба Александр Александрович
  • Сабуров Виктор Петрович
  • Новоселов Юрий Павлович
SU1148888A1

RU 2 439 166 C2

Авторы

Сенкус Витаутас Валентинович

Селянин Иван Филипович

Гетман Александр Анатольевич

Дорошилов Алексей Викторович

Сенкус Валентин Витаутасович

Стефанюк Богдан Михайлович

Володина Людмила Всеволодовна

Конакова Нина Ивановна

Баженов Сергей Сергеевич

Архипова Елена Сергеевна

Даты

2012-01-10Публикация

2010-02-10Подача