КОМПЛЕКСНАЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ Российский патент 2012 года по МПК B22D1/00 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к экзотермическим смесям, используемым для внепечной обработки антифрикционных чугунов.

Известна экзотермическая смесь (а.с. СССР №608608, МПК В22D 7/06, 1978), содержащая, мас.%: материал на основе оксидов железа 25-50; хромовая руда 5-25; алюминиевый порошок 10,5-18; материал на основе углерода 5-12; глина огнеупорная 5-10; огнеупорный наполнитель 3-25 и связующее 5-10. Известная смесь имеет недостаточную стабильность процесса протекания термохимических реакций и не обеспечивает при внепечной обработке литейных Fe-C сплавов существенного повышения температуры, износостойкости и выхода годного. Высокое содержание в известной смеси хромовой руды, огнеупорного наполнителя, оксидов железа и огнеупорной глины снижает рафинирующий и модифицирующий эффекты, механические, технологические и антифрикционные свойства сплавов.

Известна также комплексная экзотермическая смесь (патент Франции №2338097, МПК В22D 7/00, 1977), содержащая, мас.%:

Металлический алюминий 10-40 Оксиды алюминия, кальция или магния 10-80 Перлит и/или вермикулит 0-30 Древесная мука 5-30 Угольная пыль 0-5

Данная комплексная экзотермическая смесь вызывает интенсивное протекание экзотермических реакций и повышение температуры расплава, но снижает технологические и антифрикционные свойства Fe-C сплавов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенной является комплексная экзотермическая смесь (патент РФ №2376101, МПК В22D 1/00, 2009, прототип), содержащая, мас.%:

Металлический алюминий 25-38 Фтористый кальций 18-35 Оксиды алюминия 14-27 Силикокальций или ферротитан 12-25 Угольная пыль 1-5

При внепечной обработке антифрикционных Fe-C сплавов различными формованными модифицирующими таблетками, экзотермическими вкладышами и прессованными брикетами, изготовленными из этой комплексной экзотермической смеси, происходит интенсивное протекание экзотермических реакций, повышение жидкотекучести и температуры расплавов, повышение трещиностойкости отливок и выхода годного (для чугунов до 63-67%, для литейных сталей - до 44-50%). Однако при этом отмечается недостаточное микролегирующее влияние смеси, снижение износостойкости и антифрикционных свойств сплавов, что особенно наблюдается при повышенных концентрациях силикокальция, фтористого кальция и оксидов алюминия.

Задача изобретения - повышение износостойкости и антифрикционных свойств обрабатываемых сплавов.

Поставленная задача решается тем, что комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, фтористый кальций, ферротитан и угольную пыль, дополнительно содержит окислы меди и азотированный ферромарганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Металлический алюминий 25-38 Ферротитан 12-25 Фтористый кальций 11-17 Окислы меди 14-27 Азотированный ферромарганец 7-18 Угольная пыль 1-5

Дополнительное введение окислов меди обусловлено тем, что они являются эффективными химически активными экзотермическими и модифицирующими добавками, оказывающими положительное влияние на температурные, термодинамические и технологические параметры железоуглеродистых расплавов, их однородность и дисперсность структуры, износостойкость, коэффициент трения и другие антифрикционные свойства сплавов. При увеличении их содержания более 27% усиливается интенсивность протекания экзотермических реакций и повышаются кинетические параметры расплавов, что увеличивает угар металла и снижение однородности и износостойкости сплава в отливках. При концентрации окислов меди менее 14% их модифицирующий эффект, технологические и антифрикционные свойства сплавов в отливках недостаточны.

Дополнительное введение азотированного ферромарганца в количестве 7-18% обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей и модифицирующей добавкой, оказывающей положительное влияние на дисперсность структуры и технологические параметры железоуглеродистых сплавов, износостойкость, коэффициент трения и другие антифрикционные свойства. При увеличении его содержания более 18% уменьшаются кинетические параметры расплавов, что вызывает снижение жидкотекучести металла, однородности и износостойкости сплава в отливках. При концентрации его менее 7% микролегирующий и модифицирующий эффекты недостаточны, а дисперсность структуры, выход годного, технологические и антифрикционные свойства сплавов в отливках низкие.

Для сравнительных испытаний эффективности известной и предложенной комплексных экзотермических смесей проведена их апробация в производственных условиях при выплавке в тигельных индукционных печах и последующей внепечной обработке модифицированных антифрикционных чугунов. В табл.1 приведены составы комплексных экзотермических смесей, используемых для внепечной обработки.

Определение трещиностойкости сплавов (по среднему количеству трещин в пробе) проводили на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, жидкотекучести - на спиральных технологических пробах, а прочностных свойств - по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм. Для определения ударной вязкости использовали образцы 10×10×55 мм. Металлографические исследования и анализ дисперсности структуры чугуна проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87.

Опытные плавки антифрикционного чугуна АЧС-3 проведены в тигельных индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейных чугунов Л3 и Л5, чугунного лома марки 17А, стального лома 1А, углеродистого феррохрома, никеля НПЗ, ферромарганца ФМн 75. При выпуске чугуна в ковш его температура составляла 1380…1410°С. Содержание компонентов в чугуне перед обработкой смесью, мас.%: углерод 3,5-3,6; кремний 2,3-2,5; марганец 0,5; никель 0,2; медь 0,5; хром 0,03; фосфор 0,05; сера 0,02 и железо - остальное.

Комплексные экзотермические смеси в бумажных пакетах или в прессованных цилиндрических таблетках диаметром 50 мм и высотой 50 мм вводили на дно чайникового ковша перед заливкой чугуна. Заливку чугуна с температурой 1370-1400°С производили в песчано-глинистые формы для получения технологических проб, отливок типа втулок и образцов для механических испытаний.

В табл.2 приведены технологические свойства антифрикционных чугунов, полученных после внепечной обработки известной и предложенными составами экзотермических смесей.

Апробация в производственных условиях показала, что предложенная комплексная экзотермическая смесь является эффективной химически активной и микролегирующей добавкой при внепечной обработке и оказывает положительное влияние на износостойкость, антифрикционные свойства, температурные и технологические параметры антифрикционных сплавов, способствует повышению твердости, трещиностойкости и выхода годного в большей степени, чем известная.

Таблица 1 Составы смесей Содержание компонентов в экзотермических смесях, мас.% Металлический алюминий Фтористый кальций Окислы меди Азотированный ферромарганец Ферротитан Угольная пыль Оксиды алюминия 1 /Известная/ 29,3 28 - - 17 4 21,7 2 22,3 18 28 5 19,7 7 - 3 38 11 27 7 12 5 - 4 32 14 20 13 17 4 - 5 25 17 14 18 25 1 - 6 43 7 10 9,5 30 0,5 -

Таблица 2 Смесь Твердость, НВ Выход годного литья Трещиностойкость, количество трещин в технологической пробе Коэффициент трения Средний износ, мг/гс Ударная вязкость, Дж/см² 1 /Известная/ 165 66 3,4 0,38 28 12 2 167 68 3,0 0,37 25 14 3 180 71 2,3 0,35 22 17 4 188 74 2,5 0,32 18 21 5 175 72 2,9 0,33 21 19 6 172 69 3,2 0,36 23 15

Комплексная экзотермическая смесь предназначена для внепечной обработки антифрикционных чугунов. Смесь содержит, мас.%: металлический алюминий 25-38; ферротитан 12-25; фтористый кальций 11-17; окислы меди 14-27; азотированный ферромарганец 7-18; угольная пыль 1-5. Достигается повышение трещиностойкости, выхода годного, ударной вязкости, износостойкости и антифрикционных свойств сплавов. 2 табл.

Комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, ферротитан, фтористый кальций и угольную пыль, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит окислы меди и азотированный ферромарганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлический алюминий 25-38 Ферротитан 12-25 Фтористый кальций 11-17 Окислы меди 14-27 Азотированный ферромарганец 7-18 Угольная пыль 1-5