ЛИГАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА (ВАРИАНТЫ)
ALLOY COMBINATION FOR PRODUCTION OF CASTINGS FROM HIGH-STRENGTH CAST-IRON (VERSIONS)

Заявляемое изобретение относится к металлургическому производству и может широко использоваться в машиностроении и тракторостроении для изготовления деталей повышенной прочности, например коленчатых валов автомобилей и других изделий.
Известна лигатура для производства отливок из высокопрочного чугуна, содержащая магний, медь и церий в следующем соотношении мас.%:
Магний
17,0-20,0
Церий
0,4-06,0
Медь
остальное.
Известный состав лигатуры защищен патентом РФ №2355803 на изобретение «Лигатура для модифицирования высокопрочных чугунов, способ ее получения и использования» по классам МПК C22C 35/00, C21C 1/10.
Как принято, известную лигатуру помещают на дно ковша и заливают жидким чугуном. При этом вследствие высокого давления пара магния известная лигатура начинает кипеть при ее растворении в жидком чугуне, магний на поверхности чугуна быстро сгорает с образованием оксида магния, который выбрасывается в окружающее пространство цеха в виде тонкодисперсной пыли. Эти выбросы значительно загрязняют воздух, ухудшая экологию в цехе и, тем самым, условия процесса модифицирования чугуна, а также увеличивают почти вдвое потери магния, что необходимо компенсировать дополнительными порциями лигатуры. В этом заключаются недостатки известной лигатуры.
Известная лигатура по патенту РФ №2355803 выбрана в качестве прототипа, т.к. является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемой лигатуре для производства отливок из высокопрочного чугуна.
Задачей настоящего изобретения является улучшение экологических условий процесса модифицирования и снижение затрат на производство отливок из высокопрочного чугуна.
Технический результат при осуществлении изобретения заключается в уменьшении угара магния и уменьшении выбросов оксида магния в виде тонкодисперсной пыли, а также в экономном расходовании магния.
Указанная задача в варианте 1 достигается за счет того, что известная лигатура для производства отливок из высокопрочного чугуна, включающая магний, церий и медь, согласно изобретению дополнительно содержит кремний в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний
22,0-30,0
Магний
9,0-12,0
Церий
0,4-0,6
Медь
остальное.
Указанная задача в варианте 2 достигается за счет того, что известная лигатура для производства отливок из высокопрочного чугуна, включающая магний и медь, согласно изобретению дополнительно содержит кремний и миш-металл при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний
22,0-30,0
Магний
9,0-12,0
Миш-металл
0,8-1,2
Медь
остальное
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемая лигатура для производства отливок из высокопрочного чугуна по обоим вариантам не известна и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемая лигатура может быть получена в условиях металлургического производства или на предприятиях, специализирующихся на изготовлении лигатур, т.к. для этого требуются известные технологии, материалы и стандартное отечественное или импортное оборудование. Она может широко использоваться на предприятиях, изготавливающих отливки из высокопрочного чугуна.
Следовательно, заявляемая лигатура соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому изобретению новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
Заявленное содержание кремния обеспечивает максимальное усвоение магния чугуном. Уменьшение содержания кремния ниже 22% приводит к кипению лигатуры в процессе ее растворения в чугуне, выбросу магния в виде тонкодисперсной пыли в окружающее пространство цеха, что не только ухудшает условия труда, но и приводит к дополнительным потерям магния и повышенному расходу лигатуры. Увеличение содержания кремния в лигатуре выше 30% приводит к снижению ее удельного веса, повышению скорости ее всплывания в чугуне и повышенному расходу лигатуры. Выход за заявленные пределы по содержанию кремния в обоих случаях приводит к повышенному расходу лигатуры и повышению затрат на производство отливок из высокопрочного чугуна. В производстве заявленной лигатуры используется кристаллический кремний. Идеальным случаем является использование кремния полупроводниковой чистоты. Однако на практике из-за высокой стоимости кремния полупроводниковой чистоты приходится использовать более дешевый кристаллический кремний, изготавливаемый по ГОСТ 2169-69, например, марки Kpl (кремния не менее 98,0%). В качестве примесей в этом кремнии присутствуют, %: железо до 0,7; алюминий до 0,7; кальций до 0,6. Наличие указанных примесей не ухудшает свойств заявленной лигатуры, поскольку алюминий и кальций предотвращают окисление магния и, являясь графитизаторами чугуна, создают зародыши графита. Присутствие железа в таком малом количестве никак не влияет на качество лигатуры. Как видно из приведенных сведений, наличием в кремнии примесей (алюминия, кальция и железа) в сумме не более 2,0% можно пренебречь.
Количество заявляемого в лигатуре магния обусловлено необходимостью создания благоприятных условий его растворения без кипения лигатуры при температуре жидкого чугуна. При содержании кремния в лигатуре на уровне нижнего заявленного предела (22,0%) и содержании магния выше 9%, или на уровне верхнего предела (30,0%) по кремнию и содержании магния выше 12,0% давление пара магния над растворяющейся лигатурой выше внешнего, создаваемого столбом жидкого чугуна и атмосферным воздухом. Это приводит к кипению лигатуры, дополнительным выбросам магния в виде тонкодисперсной пыли в цеховое пространство и повышенному расходу лигатуры. В обоих случаях выход за заявленные пределы по содержанию магния, как и по содержанию кремния, приводит к ухудшению экологии в цехе, а также повышенному расходу лигатуры и повышению затрат на производство отливок из высокопрочного чугуна.
Количество церия в варианте 1 находится в пределах от 0,4 до 0,6 мас.%, то есть одинаково с ближайшим аналогом. Церий необходим для образования в чугуне графита правильной формы, и указанного количества для выполнения этой функции вполне достаточно. Учитывая дороговизну чистого церия, в варианте 2 взят церийсодержащий сплав миш-металл. Чтобы обеспечить нужное количество церия в заявленной лигатуре, пределы миш-металла соответствуют 0,8-1,2 мас.%.
Приготовление лигатуры заявляемого состава осуществлялось в индукционных печах путем сплавления компонентов шихты в графитовом тигле. Испытание лигатуры заявленного состава и известной по прототипу (№ опыта - прототип), и двух составов со значениями ниже и выше предела вводимых компонентов (№№ опытов 1, 6) проводились на ОАО «АвтоВАЗ» по нормам FIAT-BAЗ52215. Результаты испытаний представлены в прилагаемой к описанию таблице. Модифицирование чугуна производили в ковшах емкостью 1100 кг, при этом расход лигатуры в номерах опытов 1-6 составлял 10 кг на ковш, в прототипе - 9,2 кг.
Анализ таблицы показывает, что угар магния в заявленных лигатурах по обоим вариантам (№№ опытов 2-5) находится в пределах 0,65-0,45 кг, в то время как в запредельных партиях 0,91-1,05 кг, а в прототипе еще больше - 1,25 кг.
Анализировались качественные показатели отливок (валов коленчатых), полученных с использованием заявленной лигатуры, и отливок с запредельными составами компонентов лигатуры и составом по прототипу. Как видно из таблицы, применение лигатуры заявленного состава (№№ опытов 2-5) позволяет получать отливки валов коленчатых, полностью удовлетворяющие требованиям по структуре и механическим свойствам чугуна. Выход за заявленные пределы по содержанию магния и кремния (№№ опытов 1 и 6) не позволяет выдержать требование по степени сфероидизации графита (ССГ), а в опыте 6 и по содержанию феррита. Для получения отливок с требуемым уровнем ССГ необходимо увеличение навески лигатуры. Как видно из опыта номер 5, применение миш-металла (редкоземельных металлов цериевой группы), вместо церия, также позволяет получать отливки, удовлетворяющие предъявляемым требованиям. Таким образом, при производстве отливок из высокопрочного чугуна можно использовать лигатуры заявляемого состава, содержащие не только чистый церий, но и менее дефицитные РЗМ.
Пример получения лигатуры.
Приготовление заявляемой лигатуры осуществляется в индукционных печах. В качестве шихтовых материалов используют чистый лом меди или катодную медь, кристаллический кремний, выпускаемый по ГОСТ 2169-69, церий или миш-металл и чушковый магний (ГОСТ 804-93).
Для получения 100 кг лигатуры в печь загружают 26-31 кг кремния, 9,5-12,5 кг магния, 0,6 кг церия или 1,2 кг миш-металла, 57-65 кг меди. Плавку ведут в графитовом тигле. Кремний заваливают на дно тигля, затем загружают магний, редкоземельные металлы (церий или миш-металл) и медь. После расплавления шихты и образования гомогенного расплава лигатуру разливают в чугунные изложницы и после охлаждения дробят на куски. Лигатуру упаковывают в стальные барабаны и отправляют потребителям.
Заявляемая лигатура (оба варианта) по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- уменьшение выбросов оксида магния в виде тонкодисперсной пыли за счет лучшего усвоения магния чугуном;
- удешевление лигатуры за счет частичной замены меди и магния кремнием;
- снижение затрат на производство отливок из высокопрочного чугуна. Заявляемая лигатура по варианту 2 имеет дополнительное удешевление за счет замены чистого церия более дешевым и менее дефицитным миш-металлом.
Таблица
Составы лигатур и результаты их испытаний при модифицировании чугунов
Номер опыта
Состав лигатуры, мас.%
Предел прочности на разрыв, σ, кгс/мм<sup>2</sup>
Твердость, НВ
Относительное удлинение, δ, %
Содержание магния в чугуне, мас.%
Угар магния, кг
Усвоение магния, %
Mg
Cu
Ce
Si
Микроструктура чугуна
Перлит-основа
1
13,1
50,8
0,52
35,6
феррита - 8%
78-91
252-285
4,5-7,2
0,038-0,042
0,91
30,5
ССГ - 85-90%
Перлит-основа
2
11,2
56,6
0,49
29,6
феррита - 5%
89-100
262-288
6,2-8,3
0,046-0,049
0,65
42,4
ССГ - 92%
3
10,2
60,9
0,53
26,9
Перлит-основа феррита - 4%
85-95
263-281
6,1-7,8
0,045-0,050
0,54
46,5
ССГ - 91%
Перлит-основа феррита - 6%
4
9,2
65,6
0,55
23,2
ССГ - 90%
86-93
271-292
5,5-8,2
0,043-0,048
0,45
51,6
5
9,2
65,6
1,02 РЗМ
22,7
Перлит-основа феррита - 7%
ССГ - 91%
88-95
268-295
5,8-7,6
0,045-0,050
0,45
51,6
6
14,5
68,8
0,48
14,2
Перлит-основа феррита - 5-25%
81-89
278-285
6,0-6,8
0,038-0,042
1,05
27,5
ССГ - 70-90%
Прототип
17-20
79,5-82,5
0,4-0,6
-
Перлит-основа феррита - 1-8%
92-100
266-298
6-8
0,04-0,05
1,25
26,5
ССГ - 90%
Нормы FIAT - BAЗ52215
Перлит-основа феррита - до 8%
≥75
250-302
≥3
ССГ-90%