КОМПЛЕКСНАЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ
COMPLEX EXOTHERMIC MIXTURE

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к комплексным экзотермическим смесям, используемым для внепечной обработки антифрикционных чугунов при производстве ответственных деталей двигателей.
Известна комплексная экзотермическая смесь (патент Франции №2338097, 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 достаточными характеристиками интенсивности протекания экзотермических реакций в железоуглеродистом расплаве, модифицирующей способности и снижает антифрикционные свойства чугуна, что особенно отличается при высоком содержании древесной муки, перлита и окислов.
Известна также экзотермическая смесь (патент RU №2376101, МПК B22D 1/00, 2009), содержащая, мас. %:
Металлический алюминий
25-38
Фтористый кальций
18-35
Окислы алюминия
14-27
Силикокальций или ферротитан
12-25
Угольная пыль
1-5
Существенными недостатками известной смеси являются низкие упругопластические свойства, недостаточная дисперсность структуры и износостойкость обрабатываемого чугуна в отливках.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является комплексная экзотермическая смесь (патент RU 2517083, МПК B22D 1/00, 2014), содержащая, мас. %:
Металлический алюминий
25-38
Фтористый кальций
18-35
Окислы алюминия
6-13
Ферротитан
12-22
Силикобарий
8-17
Угольная пыль
1-5
При использовании этой смеси для внепечной обработки антифрикционного чугуна достигаются следующие свойства:
Относительное удлинение, %
3,5-3,8
Износостойкость, мкм/км
0,25-0,28
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
14-16
Трещиностойкость (среднее количество
трещин в пробе), шт.
2,7-3,0
Жидкотекучесть, мм
612-625
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
10,5-12
Недостатком этой смеси является то, что она не обеспечивает существенного повышения упругопластических свойств и ударно-усталостной долговечности антифрикционных чугунов в литых изделиях. При этом окислы загрязняют расплав.
Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств и ударно-усталостной долговечности антифрикционного чугуна в литых изделиях.
Поставленная задача решается тем, что комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, фтористый кальций, ферротитан, силикобарий и угольную пыль, дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Металлический алюминий
25-38
Фтористый кальций
18-35
Ферротитан
12-22
Силикобарий
8-17
Церий
6-13
Угольная пыль
1-5
Существенным отличием предложенной экзотермической смеси является введение в ее состав эффективной модифицирующей и сфероидизирующей добавки - церия и исключение окислов алюминия.
Дополнительное введение церия обусловлено тем, что он является эффективным модифицирующим компонентом, способствующим сфероидизации структурных составляющих при кристаллизации чугуна, повышению ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности. При содержании в смеси до 6% церия его влияние проявляется недостаточно и он полностью угорает при внепечной обработке чугуна. При концентрации церия более 13% снижаются характеристики износостойкости, твердости и ударно-усталостной долговечности.
Введение металлического алюминия в количестве 25-38% и фтористого кальция в количестве 18-35% связано с их высокими термическими реакциями в железоуглеродистых расплавах, хорошей раскисляющей способностью, что способствует повышению однородности структуры чугуна в отливках и упругопластических свойств. Их содержание соответствует общепринятым нормам их концентраций при производстве антифрикционного чугуна.
Ферротитан в количестве 12-22% и селикобарий в количестве 8-17% заметно усиливают протекание экзотермических реакций в расплавах с повышением их кинетических параметров. При повышении их концентраций выше верхних значений увеличивается угар металла, происходит снижение его однородности и механических свойств. При снижении концентраций ферротитана менее 12% и силикобария менее 8% кинетические параметры обрабатываемого расплава недостаточны и упругопластические свойства чугуна снижаются.
Угольная пыль в количестве 1-5% оказывает графитизирующее влияние при внепечной обработке, повышает температуру расплава, стабильность структуры, ударную вязкость и ударно-усталостную долговечность чугуна в отливках. Ее эффективность уже начинает сказываться с концентрации 1%. При концентрации угольной пыли более 5% снижаются характеристики износостойкости и упругопластических свойств.
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 технического результата, указанного в изобретении. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Для сравнения эффективности использования известной и предложенной комплексных экзотермических смесей проведена их апробация в производственных условиях при изготовлении ответственных литых деталей двигателей из антифрикционного чугуна марки АЧС-3.
Опытные плавки антифрикционного чугуна марки АЧС - 3 проводили в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов Л2 и Л3, чугунного лома 17А, стального лома марки 1А, углеродистого феррохрома ФХ800, ферромарганца ФМн78, полуфабрикатного никеля НПЗ, ферросилиция и других ферросплавов. Комплексные экзотермические смеси в виде прессованных таблеток цилиндрической формы вводили в раздаточные ковши при выпуске чугуна из печи с температурой 1370-1400°C.
В таблице 1 приведены составы комплексных экзотермических смесей, используемых для внепечной обработки антифрикционных чугунов опытных плавок.
Для определения механических, технологических и эксплуатационных свойств антифрикционного чугуна в отливках отливали стандартные образцы для механических испытаний, технологические пробы и детали двигателя.
Определение ударной вязкости проводилось на копре на образцах с размерами 10×10×55 мм типа 8 по методике в соответствии с ГОСТ 9454, а ударно-усталостные испытания на машине модели УРМ-200М.
Определение трещиностойкости проводилось на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
В таблице 2 приведены технологические и механические свойства чугунов, полученных после внепечной обработки с использованием известной и предложенной комплексных экзотермических смесей.
Как видно из таблицы 2, предложенная экзотермическая смесь обеспечивает более высокие характеристики упругопластических свойств и ударно-усталостной долговечности антифрикционных чугунов, чем известные.