КОМПЛЕКСНАЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ Российский патент 2014 года по МПК B22D1/00 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к комплексным экзотермическим смесям, используемым для внепечной обработки антифрикционных чугунов при производстве ответственных литых деталей двигателей.

Известна комплексная экзотермическая смесь (Патент Франции №2 338 097, МПК B22D 7/00, 1977), содержащая, мас.%:

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

Эта экзотермическая смесь не обладает достаточной интенсивностью протекания экзотермических реакций в железоуглеродистом расплаве, снижает упругопластические свойства и трещиностойкость чугунов в отливках, особенно, при высоком содержании древесной муки, перлита и окислов алюминия.

Известна также экзотермическая смесь с комплексным окислителем для литых деталей (Побежимов Г.Н., Маньков В.Г. - М.: Литейное производство, 1979, №2. - С.17-18), содержащая от 21 до 25% алюминия, фторсодержащие соединения, окислы железа и марганца. Эта экзотермическая смесь не обеспечивает стабильных результатов при обработке чугуна и снижает жидкотекучесть и износостойкость чугуна.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является экзотермическая смесь (Патент RU №2 376 101, МПК B22D 1/00, 2009, прототип), содержащая, мас.%:

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

При использовании этой экзотермической смеси при внепечной обработке чугуна в литых деталях достигаются следующие механические и технологические свойства:

Ударная вязкость, Дж/см² 11-13 Относительное удлинение, % 3,2-3,9 Дисперсность структуры, ПД 0,5-1,0 Склонность к трещинообразованию,   среднее количество трещин в технологической пробе 2,7-3,0 Износостойкость при сухом трении, мкм/км 0,31-0,45

Существенным недостатком этой смеси является то, что она не обеспечивает повышения упругопластических свойств, износостойкости и трещиностойкости антифрикционных чугунов в литых изделиях, что связано с недостаточной концентрацией в смеси модифицирующих компонентов и загрязнением расплава окислами.

Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, износостойкости при сухом трении и упругопластических свойств обрабатываемых антифрикционных чугунов.

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

Металлический алюминий 25-38 Фтористый кальций 18-35 Окислы алюминия 6-13 Ферротитан 12-22 Силикобарий 8-17 Угольная пыль 1-5

Существенным отличием предложенной экзотермической смеси является введение в ее состав эффективной химически активной модифицирующей присадки - силикобария и снижение в составе смеси содержания окислов.

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Дополнительное введение силикобария обусловлено тем, что он является эффективным химически активным экзотермическим и модифицирующим компонентом, оказывающим положительное влияние на термодинамические, термические и технологические параметры железоуглеродистого расплава, их однородность, что способствует повышению дисперсности структуры, трещиностойкости и упругопластических свойств чугунов в отливках.

При увеличении концентрации силикобария более 17% усиливается интенсивность протекания экзотермических реакций и повышаются кинетические параметры железоуглеродистого расплава, что увеличивает угар и безвозвратные потери металла, снижение стабильности состава чугуна и его износостойкости. При концентрации силикобария менее 8% технологические и упругопластические свойства чугуна в отливках недостаточны.

Введение металлического алюминия в количестве 25-38% и фтористого кальция в количестве 18-35% связано с их высокими термическими реакциями в железоуглеродистых расплавах, способностью хорошо раскислять металл и повышать его однородность, трещиностойкость и упругопластические свойства. Их содержание соответствует общепринятым нормам их концентраций при производстве экзотермических смесей для высокоуглеродистых литейных сплавов.

Снижение в составе смеси ферротитана до количества 22% и окислов алюминия до количества 6-13% усиливает интенсивность протекания экзотермических реакций и кинематические параметры железоуглеродистого расплава. При этом количество ферротитана ниже 12% и окислов алюминия ниже 6% снижают стабильность структуры, а при повышении их содержания выше верхних пределов соответственно 22% и 13% увеличивает угар расплава, снижаются однородность расплава, характеристики упругопластических свойств, износостойкости и трещиностойкости.

Угольная пыль в количестве 1-5% оказывает графитизирующее влияние при внепечной обработке, повышает температуру расплава, стабильность упругопластических и технологических свойств чугуна в отливках. Ее эффективность начинает сказываться с содержания 1%. При концентрации угольной пыли более 5% снижаются характеристики износостойкости и упругопластических свойств.

Для сравнения эффективности использования известной и предложенной экзотермических смесей проведена апробация их в производственных условиях при производстве ответственных литых деталей двигателей из антифрикционных чугунов.

Опытные плавки антифрикционного чугуна марки АЧС-3 проводили в индукционных тигельных печах с использованием в качестве шихтовых материалов чугунного лома марки 17А, стального лома марки 1А, литейного чугуна марки Л3, углеродистого феррохрома ФХ200, ферромарганца ФМн78, никеля марки НП3, ферротитана и других ферросплавов.

Комплексную экзотермическую смесь в виде цилиндрических прессованных таблеток вводили в раздаточные ковши при выпуске чугуна из печи с температурой 1380-1450°С.

В таблице 1 приведены составы комплексных экзотермических смесей, используемых для внепечной обработки чугунов опытных плавок.

Таблица 1 Соста-вы смесей Содержание компонентов в экзотермических смесях, мас.% Металлический алюминий Фтористый кальций Окислы алюминия Ферротитан Силикобарий Угольная пыль 1 (Изв.) 32 27 20 18 - 3 2 18 17 17 23 19 6 3 25 35 6 12 17 5 4 30 27 12 18 10 3 5 38 18 13 22 8 1 6 39 16 15 24 6 -

Для определения металлографической структуры, прочностных и технологических свойств чугунов отливали стандартные образцы для механических испытаний, спиральные технологические пробы, пробы трещиностойкость и отбел, а также детали двигателей.

Металлографические исследования и анализ дисперсности структуры чугуна проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87, для определения ударной вязкости использовали образцы с размерами 10×10×55 мм. Определение трещиностойкости проводили на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.

Таблица 2 Смесь Жидкотекучесть, мм Дисперсность структуры, ПД Относительное удлинение, % Износостойкость, мкм/км Ударная вязкость, Дж/см² Трещиностойкость, Среднее количество трещин в технологической пробе 1
(Изв.) 595 1,0 3,6 0,32 12 3,0 2 590 1,0 3,8 0,31 13 3,0 3 612 0,5 5,5 0,28 15 1,5 4 625 0,3 7,0 0,25 16 1,0 5 620 0,5 6,8 0,26 14 2,0 6 605 0,5 5,2 0,30 12 2,5

В таблице 2 приведены технологические и механические свойства чугунов, полученных после внепечной обработки экзотермическими смесями известного и предложенного состава, а также анализ структур и свойств чугунов в отливках.

Как видно из таблицы 2, предложенная экзотермическая смесь обеспечивает более высокие характеристики износостойкости, ударной вязкости, относительного удлинения и меньшую склонность к трещинообразованию, чем известная.

Изобретение относится к литейному производству. Смесь содержит следующие компоненты, мас.%: металлический алюминий 25-38, фтористый кальций 18-35, окислы алюминия 6-13, ферротитан 12-22, силикобарий 8-17, угольная пыль 1-5. Обеспечивается повышение жидкотекучести, ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости. 2 табл.

Комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, фтористый кальций, окислы алюминия, ферротитан и угольную пыль, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит силикобарий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Металлический алюминий 25-38 Фтористый кальций 18-35 Окислы алюминия 6-13 Ферротитан 12-22 Силикобарий 8-17 Угольная пыль 1-5