Модификатор Советский патент 1984 года по МПК C22C35/00 

О5 СХ) 4i

сл Изобретение относится к черной металлургии, в частности к состава модификаторов для производства выс копрочного чугуна. Известен модификатор для высоко прочного чугуна последующего сост ва, мас.%: Магний5-10 Кальций5-15 Железо1-15 РЗМ2-10 Никель10-20 Марганец 10-20 Углерод 0,5-6,0 Барий3-15 Медь10-20 Кремний Остальное Недостатком такого комплексного модификатора является высокое соде жание суммы щелочноземельных метал лов (кальция и бария), поэтому он плохо усваивается расплавом и треб ет дополнительного введения флюса во избежание ошлаковывания поверхн ти частиц модификатора и затормаживания (или прекращения) реакции взаимодействия модификатора с расп вом. Кроме того, медь, никель и ма ганец в количествах 10-20% каждого ухудшают дробимость модификатора, также способствуют стабилизации пе литной составляющей металлической матрицы, что снижает пластические свойства чугуна и требует проведен дополнительной термической обработ отливок. Высокое содержание углерода в модификаторе, значительно превышаю предел растворимости его в сплаве в значительной степени усложняет изготовление модификатора и делает нестабильным его состав. Наиболееблизким к изобретению техническойсущности и достигаемо результату является модификатор следующего состава, мас.%: Магний5,0-10,0 Кальций0,2-2,4 РЗМ0,1-5,0 Барий0,5-3,0 Медь0,1-1,0 Никель0,1-3,0 Марганец0,1-1 ,0 Углерод0,2-2,0 Алюминий0,2-8,0 Вольфрам0,01-2,8 Кремний45,0 -70,0 ЖелезоОстальное Однако чугун, обработанный известным модификатором, характеризуется низкими пластическими и вязкими свойствами при работе в условиях отрицательных температур, а также склонностью к деформации отливок и образованию трещин. Высокое содержание алюминия (до 8%) не только ухудшает форму графита, но и может приводить к образованию в отливках сетовидной пористости. Введение в состав модификатора вольфрама удорожает его стоимость, практически не изменяя формообразования графита. Целью изобретения является повышение пластичности, ударной вязкости при пониженных температурах, трещиноустойчйвости и усталостной прочности. Поставленная цель достигается тем, что модификатор для высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, содержащий магний, редкоземельные металлы, кальций, марганец, алюминий, никель, железо и кремний, дополнительно содержит титан, цирконий, бор и цинк при следующем соотношении компонентов, мас.%: Магний 3,0-9,0 Редкоземельные металлы 0,5-4,0 Кальций 0,3-1,5 Марганец 0,1-2,0 Алюминий 0,5-2,0 Никель 4,0-10,0 Медь 4,0-10,0 Цирконий 0,1-5,0 Титан0,5-1,0 БорО,005-0,Q6 Цинк0,05-0,5 Железо 20,0-35,0 Кремний Остальное Совместное введение титана, циркония и бора обеспечивает прочную связь азота, растворимого в чугуне, в стойкие нитриды, которые служат зародышевой фазой для вьщеления графита и образование инокулирующей тугоплавкой зародышевой фазы диборида титана (TiBj) и диборида циркония (ZrB-), которая позволяет получить ультрамелкое ферритное зерно в матрице. Это, в свою очередь, обеспечивает сохранение пластических и вязких свойств чугуна в условиях работы при отрицательных температурах и снижает склонность к образованию трещин и деформации отливок. Нижние пределы по содержанию титана, циркония и бора (0,5, 0,1 и 0,005% соответственно) обусловлен проявлением их эффекта, а верхние (1,0, 5,0 и 0,5% соответственно) ограничены возможностью стабилизации карбидной фазы. Алюминий в сост ве модификатора в количестве 0,32,0% CcfBMecTHo с кальцием и РЗМ спо собствует раскислению чугуна и измельчению графитовых включений, что приводит к стабилизации процесса мо дифицирования. Содержание алюминия свыше 2% может вызвать образование сетовидной пористости и отрицательно влияет на степень измельчения графита, а при содержании алюминия менее 0,5% диспергирующий эффект его не проявляет ся. Цинк повышает степень усвоения магния при модифицировании, позволя снижать его содержание в модификаторе и тем самым значительно уменьшает пироэффект. Содержание цинка в модификаторе свыше 0,5% ухудшает экологические условия уа литейном участке, а при содержании менее 0,05% эффект его влияния не проявля ется. Совместное введение в состав модификатора никеля и меди обеспеч вает высокую степень растворимости магния и кальция и более однородное распределение этих элементов в составе модификатора при лучшем их усвоении жидким металлом. Кроме того, введение в чугун меди и никеля повы шает пластические свойства последнего за счет улучшения формы и умен шения размера графита. При содержании меди и никеля в модификаторе менее 4% каждого, их влияние на свойства чугуна незамет но, а превышение 10% каждого приво дит к перлитизации металлической матрицы, что отрицательно влияет на пластические свойства чугуна. Резкоземельные металлы связываю примеси деглобуляризирующих элемен тов, таких как сурьма, висмут, оло во, свинец, теллур и др. в инертные соединения (интерметаллиды). Содержание РЗМ 0,5% - минимально необходимое для связывания этих элементов, а верхний предел (4%) установлен из экономических сообра жений, чтобы не удорожать стоимост модификатора и не усилить его карбидостабилизирующее влияние. Предлагаемый модификатор выплавялся в индукционной печи ИСТ - 0,5 графитовым тиглем методом сплавения составляющих шихты. Содержание марганца и цинка в моификаторе регулируется использованием при выплавке чушкового магния ; азличных марок, содержание алюминия определяется использованием ерросилиция марки ФС65 и ФС45. Для исследования влияния предлагаемого модификатора на увеличение количества графита шаровидной формы, уменьшение размера графитовых включений, а также на повышение пластических и вязких свойств чугуна при отрицательных температурах и понижение склонности к треш11нообразованию и деформации в отливках бьши проведены плавки чугуна в электропечи с обработкой известным и предлагаемыми модификаторами. Химический состав чугуна был следующим, мас.%: 3,37-3,43 Углерод 2,6-2,9 Кремний 0,28-0,38 Марганец 0,041-0,047 Сера 0,06-0,07 Фосфор Количество вводимого модификатора в ковш емкостью 300 кг - 6 кг, что составляет 2% от веса жидкого металла. Температура металла 1450 С. Составы известного и предлагаемых модификаторов, использованных при проведении экспериментов, приведены в табл. 1. Для исследования структуры и механических свойств модифицированного чугуна бьши отобраны трефовидные пробы и отливки с толщиной стенок от 5 до 40 мм. Одновременно заливали опытные пробы для сравнения трещиноустойчивости отливок, которую оценивали по общей плотности горячих трещин, возникающих в термическом узле. Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-61 на цилиндрических образцах диаметром 10 мм и расчетной длиной 50 мм. Ударную вязкость испытывали на образцах без надреза при 40 С. Износ образцов определяли при возвратнопоступательном движении на машине трения Ш-1 по стандартной методике при длительности эксперимента 8 ч и пути трения 12800 м.

51

Определение усталостной прочности проводили в соответствии с ГОСТ 2860-65 на машине МУИ 6000 с частотой 100 Гц.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 2, являются средними из 10 образцов.

Металлографический анализ микроструктуры показал, что в отливках, обработанных известным модификатором, число включений шаровидного графита меньше и они крупнее, чем в чугуне, обработанном предлагаемым модификатором. Матрица чугуна, обработанного известным модификатором, состоит из феррита с 15-20% перлитй, величина зерна феррита 4-5 баллов шйалы ГОСТ 5639-65, в то время, как при иЬпользовйнии предлагаемого модификатора метрика чугуна полностью ферритная с ультрамелким зерном 7-8 балла. Meлkoдйcперсные гл.обулы в сочет нии с такой матрицей обеспечивают высокие пластические свойства, ударную вязкость

68456

при отрицательных температурах, повышают усталостную прочность чугуна, износоустойчивость и трещиноустойчивость отливок. Чугун, обработанный

5 модификатором состава 2 и 6, выходящих по содержанию большинства элементов за пределы предлагаемого, имеет свойства значительно ниже, чем 3-5 составов.

10 Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого модификатора по сравнению с базовой никельмагниевой лигатурой по техническим условиям 48-21-5013-72, применяе15 мой для производства отливок из высокопрочно о чугуна с шаровидным графитом, определяется прежде всего снижением брака по механическим свойствам, трещинам и деформации в отлив20 ках В 2-3 раза а также снижением стоимости модификатора.

Годовой экономический эффекг от использования изобретения по сравнению базовым объектом составит

25 662 тыс. руб.

Таблица 1

МОДИФИЛ(АТОР для высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, содержащий магний, редкоземельные металлы, кальций, марганец, алюминий, медь, никель, железо и кремний, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичночти, ударной вязкости при пониженных температурах, трещиноустойчивости и усталостной прочности, он дополнительно содержит титан, цирконий, бор и цинк при следующем соотношении элементов, мас.%: Магний 3,0-9,0 Редкоземельные 0,5-4,0 металлы Кальций 0,3-1,5 Марганец 0,1-2,0 Алюминий 0,5-2,0 4,0-10,0 Медь 4,0-10,0 Никель 0,5-1,0 Титан (Л 1,0-5,0 Цирконий 0,005 -0,06 Бор 0,05-0,5 Цинк 20-35 Железо Кремний Остальное

Известный

1,3 2,8 1,7 0,3 1,5 0,4

1 7,2 Предлагаемый

5,3 2,1 50,5 Остальное

0,7 - Осталь- 35,0 ное

1,5

0,2 0,7 0,001 0,02

Продолжение табл. 1

Таблица2