МОДИФИКАТОР
MODIFIER

Изобретение относится к металлургии, литейному производству и машиностроению и может быть использовано при производстве отливок серого - доэвтектического чугуна, работающих в условиях повышенного износа, например вагонных тормозных колодок, крупных зубчатых колес, деталей брашпиля, цилиндровой гильзы (наряду с РЗМ) и т.д.
Использование известных циркониевых модификаторов позволяет получать серый чугун с повышенными механическими характеристиками (пределом прочности, стрелой прогиба и износостойкостью), что, в основном, достигается за счет измельчения структуры.
Однако в ряде случаев при изготовлении деталей, подвергающихся интенсивному износу, требуется особое сочетание износостойкости и герметичности (отсутствие пор) материала при ограниченной твердости. Таким образом, основной проблемой модифицирования серых доэвтектических чугунов цирконием становится повышение износостойкости отливок наряду со снижением количества пор при ограниченной твердости материала.
7
Известен модификатор [Пат. 2184491 РФ, МПК С22С 35/00, Лигатура. / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус (РФ); ХГТУ (РФ). Опубл. 10.07.2002, Бюл. № 19], включающий кремний, марганец, вольфрам, алюминий, магний, кальций и цирконий. Компоненты содержатся в количестве (мас.%):
Si - 27,0-35,0;
Zr - 19,0-38,0;
W - 0,3-2,8;
Al - 3,0-6,0;
Mg - 2,0-5,0;
Ca - 0-0,2.
Модификатор вводят в количестве 0,05% от веса серого чугуна в ковше.
В известном модификаторе содержание циркония в лигатуре является повышенным, что обеспечивает значительное количество центров кристаллизации графита, его измельчение и уменьшение концентрации напряжений в материале.
Циркониевая добавка легко растворяется в расплаве чугуна.
Достоинством данного модификатора является повышение износостойкости на 20,0%, а также предела прочности на 10,0-20,0% и стрелы прогиба на 2,0-5,0% по сравнению с немодифицированным чугуном. Это обусловлено увеличением содержания циркония в лигатуре, что приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации графита. В свою очередь, увеличение этого числа приводит к измельчению графита и, соответственно, уменьшению концентрации напряжений в материале, что увеличивает износостойкость.
Однако даже повышенная такой лигатурой износостойкость серого чугуна остается недостаточной для деталей, подвергающихся интенсивному износу. Это обусловлено тем, что увеличение содержания циркония и наличие вольфрама приводит к межчастичному отталкиванию и увеличивает расстояния между атомами (ионами) железа и, как следствие, - к увеличению удельного объема жидкой фазы (расплава). Это приводит к росту объемной усадки модифицированного сплава. В свою очередь, значительная усадка увеличивает число пор в сером доэвтектическом чугуне, что снижает износостойкость.
Другим недостатком известного модификатора, снижающим износостойкость за счет повышения пористости чугуна, является его газонасыщенность. Это обусловлено тем, что в процессе производства самой лигатуры она интенсивно насыщается атмосферными газами, что приводит к увеличению содержания водорода до  в чугуне.
2
2
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является модификатор [Пат. 2316608 РФ, МПК С22С 35/00 (2006.01), Модификатор. / В.М.Макиенко, Е.М.Баранов, Н.А.Андреюк, Д.В.Строителев, И.О.Романов (РФ); ДВГУПС (РФ). Опубл. 10.02.2008, Бюл. № 4], включающий кремний-, цирконийсодержащие добавки и алюминий. В качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO), цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO) при следующем соотношении компонентов (мас.%):
2
SiO - 35,0-5,0;
2
ZrO - 35,0-5,0;
Al - 10,0-20,0.
Модификатор вводят в количестве 0,02% от веса серого чугуна в ковше.
При взаимодействии модификатора с жидким чугуном происходит металлотермическая реакция, в ходе которой цирконий восстанавливается из диоксида и растворяется в расплаве. Константа реакции, определяющая выход циркония, мала из-за относительно малой температуры серого чугуна, выпускаемого из вагранки. Малое количество циркония в сером чугуне (не более 0,005 мас.%) обуславливает достаточное количество центров кристаллизации графита, что приводит к его измельчению и снижению концентрации напряжений в материале.
Наличие циркония и алюминия в расплаве проводит к одновременному раскислению, десульфурации и гидридо- нитридообразованию.
Кроме того, наличие циркония в расплаве обеспечивает интенсивное растворение кремния и марганца в твердом растворе (аустените), приводящее к приросту доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры).
Достоинством вышеописанного модификатора является повышение износостойкости по сравнению с аналогом на 10,0-15,0% при пониженной температуре модифицирования отливок из серого доэвтектического чугуна, работающих в условиях интенсивного износа, и при сохранении высокого уровня механических характеристик. Это обусловлено малым количеством циркония в сером чугуне (не более 0,005 мас.%), что приводит к достаточному измельчению графита и снижению концентрации напряжений в материале, одновременному приросту доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры) и, как следствие, к увеличению износостойкости чугуна.
Кроме того, наличие кислорода в модификаторе приводит к резкому снижению удельного веса модификатора за счет увеличения периодов (межплоскостных расстояний) в кристаллических решетках оксидов. Уменьшение удельного веса модификатора вызывает его всплытие (эффект флотации) с одновременной ассимиляцией растворенных газов, что обеспечивает дополнительную дегазацию серого чугуна, наряду с рафинирующим и дегазирующим действием восстановленного циркония. Дегазация приводит к резкому сокращению числа пор в сером чугуне, что создает дополнительный, ощутимый прирост износостойкости.
Однако при повышенной температуре модифицирования (1460-1480°С), например, при выплавке чугуна в индукционной печи большой емкости или газовой вагранке вязкость чугуна резко снижается, что приводит к увеличению скорости всплытия модификатора. Повышенная скорость всплытия приводит, в свою очередь, к снижению константы металлотермической реакции (уменьшается количество восстанавливаемого циркония), а также к недостаточной полноте дегазации, и соответственно, к увеличению пористости. Это снижает износостойкость модифицируемого материала при повышенной температуре модифицирования.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в разработке модификатора серого чугуна с высокой износостойкостью при повышенной температуре модифицирования и повышенной герметичностью чугунных отливок за счет интенсификации металлотермической реакции путем барботажа компонентов модификатора в расплаве.
2
2
Для решения поставленной задачи в модификатор, содержащий кремнийсодержащую и цирконийсодержащую добавки и алюминий, при этом в качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO), в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO), дополнительно введена
пенопластовая крошка в качестве барботирующей добавки при следующем соотношении компонентов (мас.%):
2
SiO - 35,0-5,0;
2
ZrO - 35,0-45,0;
Al - 10,0-19,0;
пенопластовая крошка - до 1.
Введение пенопластовой крошки в качестве барботирующей добавки отличает заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».
Благодаря введению в модификатор пенопластовой крошки в качестве барботирующей добавки приводит к повышению износостойкости серого чугуна при высокой температуре модифицирования. Это обусловлено тем, что при взаимодействии пенопласта с расплавом чугуна он претерпевает деструкцию с выделением большого объема газов. Выделяющийся газ перемешивает модификатор, способствуя увеличению реакционной поверхности и резкому росту константы металлотермической реакции. Интенсификация реакции увеличивает количество циркония, переходящего в расплав. Это, в свою очередь, повышает количество перлита в структуре и измельчает графит, что резко повышает износостойкость, а также другие механические характеристики материала.
Причинно-следственная связь «Введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к интенсификации металлотермической реакции» явным образом следует из уровня техники.
Одновременно введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к выделению большого количества газа при деструкции пенопласта, что способствует захолаживанию расплава, приводя к резкому снижению газо-усадочной пористости и, как следствие, к повышению герметичности чугунных отливок.
Причинно-следственная связь «Введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к повышению герметичности чугунных отливок» явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
2
2
Модификатор включает кремний- и цирконийсодержащую добавки, алюминий и пенопластовую крошку в качестве барботирующей добавки. В качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO), в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO). Компоненты выбраны в количестве (мас.%):
2
SiO - 35,0-45,0;
2
ZrO - 35,0-5,0;
Al - 10,0-19,0;
пенопластовая крошка - до 1.
Для приготовления модификатора используют циркониевую руду (бадделеит), например, Алгаминского месторождения (Хабаровский край) или месторождений северного Урала и Украины. Минералогический состав бадделеита Алгаминского месторождения приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Минералогический состав бадделеита
Компонент
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZrO<sub>2</sub>
WO<sub>3</sub>
СaO MgO
Мас.%
46,0-52,0
0,35-0,47
до 0,16
45,0-48,0
до 2
ост.
Для приготовления модификатора ингредиенты выбирают в следующих диапазонах (мас.%):
2
2
- бадделеит (циркониевая руда) - 70,0-90,0; что соответствует - 35,0-45,0 ZrO и 35,0-45,0 SiO;
2
- SiO - 13,0-15,0;
- алюминиевая стружка - 10,0-19,0;
- пенопластовая крошка - до 1,0.
Алюминиевая стружка является отходом разделки профиля строительных конструкций. Кварцевый песок взят из Кичигинского карьера.
Модифицирование чугуна производят в ковше, заливая модификатор перегретым ваграночным чугуном. Перемешивание происходит само по себе при всплытии и барботаже модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм.
2
2
2
Пример 1. Для приготовления модификатора берут 150,0 кг бадделеита (что соответствует 45,0% ZrO и 33,0% SiO), размалывают в шаровой мельнице, затем в шнековом смесителе, перемешивают с 34,0 кг алюминиевой стружки (19,0%) при добавлении 4,5 кг кварцевого песка SiO (2,5%). Полученную смесь прокаливают в течение 5 часов при температуре 350°С с последующим охлаждением и пакетированием. В процессе пакетирования добавляют 1,0 кг (0,5%) пенопластовой крошки.
Модификатор вводят в количестве 350,0 г на 180,0 кг металла в ковше (0,02% от 180,0 кг). Полиэтиленовый пакет с модификатором помещают на дно ковша, затем в ковш выливают 180,0 кг серого чугуна из газовой вагранки. Перемешивание происходит само по себе при всплытии и барботаже модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм.
Примеры 2-3. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150,0 кг бадделеита и 34,0 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.
Пример 4. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 130 кг бадделеита и 34 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.
Пример 5. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150 кг бадделеита и 15 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.
Пример 6. Серый чугун получают модифицированием без пенопластовой крошки.
Пример 7. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150 кг бадделеита и 34 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2, при этом количество пенопластовой крошки выходит за пределы заявленного интервала.
Таблица 2.
Состав модификатора
Содержание компонента, мас.%
SiO<sub>2</sub>
ZrO<sub>2</sub>
Al
Пенопласт
Пример 1
35,5
45,0
19,0
0,5
Пример 2
35,25
45,0
19,0
0,75
Пример 3
35,0
45,0
19,0
1,0
Пример 4
45,0
35,0
19,0
1,0
Пример 5
44,0
45,0
10,0
1,0
Пример 6
35,5
45,5
19,0
-
Пример 7
34,5
45,0
19,0
1,5
Далее производили стандартные трибометрические испытания на трибометрической машине МИ-401 Московского экспериментального завода. Отлитые пробы образцов разламывали и определяли количество пор на одном квадратном сантиметре излома.
Результаты физико-технических показателей модифицированного серого чугуна приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Физико-технические показатели чугуна
Характеристики чугуна
Число пор на одном квадратном сантиметре
Износостойкость (убыль потерь веса), %
Пример 1
12,0
40,0
Пример 2
10,0
42,0
Пример 3
8.0
46,0
Пример 4
15,0
38,0
Пример 5
15,0
36,0
Пример 6
22,0
45,0
Пример 7
7,0
45,0
Испытания модифицированного чугуна показывают, что износостойкость чугуна по сравнению с прототипом увеличивается на 8-10%, а герметичность чугуна увеличивается в 1,5-2 раза, что обеспечивает высокие эксплуатационные качества отливок.