Модификатор для чугуна Советский патент 1990 года по МПК C22C35/00 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к присадочным материалам, используемым для вне- печной обработки расплава серого чугуна, преимущественно, работающих в парах трения.

Цель изобретения - получение изотропной структуры с высокой и равномерной твердостью по сечению и повышение износостойкости.

Изобретение проиллюстрируется следующим примером.

Проверку эффективности модификаторов производили на базовом чугуне, содержащем, мас.%: углерод 3,3; кремний 1,8; марганец 0,7; фосфор 0,12 и сера 0,05. Выплавку чугуна проводили в тигельной индукционной печи ЛПЗ-бЗ с кварцитовой футеровкой. Модификаторы выплавлялись на шихте из соответствующих ферросплавов и чистых элементов в индукционной печи с использованием графитового тигля. При плавке модификаторов в качестве покровного флюса использовался бой графитовых блоков. Разливку модификаторов осуществляли в плоские ячеистые изложницы, дробление слитков до требуемой фракции проводилось в щековой дробилке.

Модификатор в количестве 0,7% от массы металла присаживался на дно прогретого ковша перед сливом. Температура модифицирования находилась в пределах 13бО-1380°С. Обработанным чугуном заливались ступенчатые пробы с толщиной стенок 5,15; 30, 60 и 120 мм, имитирующие разностенную отсл

00

сд

00

ливку и диски для износных испытании За показатель изотропии была принята твердость и микроструктура в различных сечениях ступенчатой пробы.

Наносные испытания проводились по следующей методике.

Из чугуна, обработанного известны и различными составами предлагаемого модификатора, изготавливались диски диаметром 200 и толщиной 50 мм, Со- .пряженную деталь имитировали цилиндрические образцы диаметром 30 мм и высотой 20 мм, изготовленные из базового немодифицированного чугуна, ко- торые усилием заранее тарированной пружины прижимались на 3 минуты к боковой поверхности дисков, вращающихся со скоростью об/мин. Изно сопряженной детали исчислялся как по теря веса и выражался в процентах, причем износ образца при трении о диск, изготовленный из чугуна, обработанного известным модификатором, принят за 100.

В табл. 1 приведены составы модификаторов; в табл. 2 - результаты испытаний.

Дополнительное введение фосфора в количестве 1-5% способствует образованию мелких, равномерно распределенных включений тройной фосфидно- сурьмянистой эвтектики, образующих сплошной сетчатый каркас в металлической основе чугуна. Добавка фосфора препятствует образованию грубых включений эвтектики по границам зере в толстых сечениях, снижающих механические свойства чугуна и являющиеся своеобразными шипами, имеющими более высокую твердость, чем основная матрицами значительно снижающими износостойкость сопряженных деталей в парах трения. При содержании фосфора менее 1% его действие не проявляется, а при увеличении концентраци свыше 5% вследствие резкого укрупнения включений эвтектики падают механические свойства чугуна.

Добавка РЗМ в оптимальных количествах улучшает форму графита и повышает равномерность его распределения, увеличивает общую графитизацию чугуна, измельчает эвтектическое зерно и соответственно включения тройно эвтектики, улучшает характер ее распределения в толстых сечениях, доводя эти показатели до уровня тонких стенок, где мелкозернистая структура

10

.

J520 75

5853704

обеспечивается за счет более высокой скорости охлаждения. Указанное воздействие РЗМ способствует повышению как изотропности структуры чугуна обработанного предлагаемым модификатором, так и износостойкости чугуна сопряженных деталей.

При содержании РЗМ в модификаторе ме нее 1% эффекта измельчения структуры не наблюдается, а при концентрации свыше 3% возни4 ает вероятность образования карбидов.

Медь и сурьма введены в качестве основных перлитизаторов, причем их концентрации находятся в следующем соотношении: % Си 52 - 2 %5Ъ, Укй- заиная зависимость получена опытным путем и является эмпирической. Соблюдение такого соотношения концентраций стабилизирует эффект модифицирования чугуна за счет ослабления влияния колебаний химического состава исходного металла на результаты модифицирования, за счет чего значительно расширяется область применения предлагаемого модификатора. Кроме того, медь является графитизирующим элементом, а сурьма поверхностно-активным по отношению к графиту. Это способствует получению мелких, равномер-. но распределенных включений графита в чисто перлитной матрице по всему телу отливки, что обуславливает получение изотропной структуры в стенках различной толщины, охлаждающихся с различной скоростью. При содержании менее 30% меди полная перлитиза- ция не обеспечивается, а увеличение ее содержания более верхнего предлагаемого предела 50% нецелесообразно, I так как эффект перлитообразования стабилизируется.

Добавка меди в количестве большем или меньшем, чем определено зависимостью % Си 52 - 2% Sb, дестабилизирует действие модификатора.

Содержание сурьмы до 1% - граничная концентрация, ниже которой ее действие не проявляется, а свыше 11% наблюдается скачкообразный рост твердости в тонких стенках и ухудшение формы графита в толстых сечениях, что нарушает изотропию структуры. Кроме того, ухудшается износостойкость сопряженных деталей вследствие появления тройной эвтектики,

В качестве стабилизатора перлита в твердом состоянии в состав модифи30

35

40

45

50

55

кагора входит марганец. Замедляя вторую стадию графитизации, данный элемент предотвращает образование феррита в толстых стечениях отливок даже при сравнительно низких скоростях охлаждения. Металлическая матрица становится нечувствительной к содержанию в чугуне основного ферритиза- тора - кремния. Кроме того, марганец в указанных пределах в отличие от всех остальных карбидообразующих элементов не препятствует протекание первой стадии графитизации и не способствует образованию отбела в тонких сечениях. Уменьшение концентрации марганца ниже 10% делает матрицу чувствительной к скорости охлаждения и содержанию кремния в чугуне, эффект перлитообразования дестабилизируется, перлит становится крупнопластинчатым, что приводит к нарушению изотропии структуры и снижению механических свойств чугуна. Свыше 20% марганца начинает стабилизировать карбидообразование, что приводит к отбелу в тонких стенках.

Алюминий введен в состав модификатора как активный графитизатор в жидкой фазе и раскислитель. Данный компонент способствует, активному выделению графита из расплава, что позволяет получать тонкие стенки отливок без отбела. Кроме того, добавка алюминия позволяет понизить содержание кремния в чугуне, что в свою очередь предотвращает ферритизацию матрицы и стабилизирует изотропность структуры и твердости по их телу отливки.

Данный эффект проявляется при содержании алюминия не менее 3%, а свыше 15% набл1рдается образование окис- ных пленок и снижаются литейные свойства чугуна. Кроме того, возникает опасность образования подкорковой ситовидной пористости.

Присутствие углерода способствует устранению первичных карбидов в результате внесения дополнительных гра585370

to

15

20

25

30

35

фитовых зародышей в расплав, уменьшает усадочные дефекты металла, повыша- ет количество выделившегося графита. Включения графита, выходящие на поверхность во время работы детали, быстро выкрашиваются и являются своеобразными резервуарами для смазки, что увеличивает износостойкость в парах трения. Нижний предел содержания углерода обусловлен технологическими условиями выплавки модификатора и определен экспериментально, а увеличение концентрации данного компонента свыше 3% отрицательно сказывается на прочностных свойствах чугуна из-за образования графитовой спели.

Как видно из табл. 2 наилучшие результаты дает использование предлагаемого модификатора при содержаний компонентов, не -выходящем за предлагаемые пределы,при соблюдении предлагаемого соотношения концентраций меди и сурьмы.

Формулаизобретения

1. Модификатор для чугуна, содержащий медь, алюминий, марганец, сурь- му, редкоземельные металлы, углерод и железо, о т л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью получения чугуна с высокой и равномерной твердостью по сечению и повышения износостойкости, он дополнительно содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь

Алюминий

Марганец

Редкоземельные

металлы

Углерод

Сурьма

Фосфор

Железо

30-50

3-15

10-20

1-3 1-5 1-11 ФОСФОР1-5

Остальное

2. Модификатор по п.1, о т л и - чающийся тем, что концентрации меди и сурьмы находятся в соот- ношении % Си 52 - 2% Sb.

Таблица 1

Изобретение относится к литейному производству, в частности к присадочным материалам, используемым для внепечной обработки расплава серого чугуна преимущественно при производстве отливок с высокой степенью разностенности, работающих в парах трения. Цель изобретения - получение чугуна с высокой и равномерной твердостью по сечению и повышение износостойкости. Модификатор для чугуна содержит медь, алюминий, марганец, сурьму, редкоземельные металлы, углерод и железо. Дополнительно модификатор содержит фосфор при следующем соотношении компонентов, мас. % : медь 30-50

алюминий 3-15

марганец 10-20

редкоземельные металлы 1-3

углерод 1-5

сурьма 1-11

фосфор 1-5

железо остальное, причем концентрации меди и сурьмы находятся в % Си = 52-2%SB. 2 табл.