СПОСОБ НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО НАУГЛЕРОЖИВАТЕЛЯ
METHOD OF IRON CARBONISATION BY MEANS OF NANO-STRUCTURED CARBONISER

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к способам получения чугуна с высоким содержанием углерода в электродуговых, индукционных печах и газовых вагранках с копильником.
Существуют различные способы науглероживания сплавов.
Известен, например, способ науглероживания чугуна (патент RU 2191832 с21с 1/08), с целью максимального контакта жидкого металла с частичками карбюризатора.
5
7
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по размерности науглероживающего компонента является «Способ получения сплава со свободным и связанным углеродом», патент RU 2196187. Данный способ включает выплавку низкоуглеродистого полупродукта, перегрев его выше температуры ликвидус на 20-70°, выпуск расплава, науглероживание сажей с размером частиц 10-10 см, вводимой в расплав в количестве 0,01-2,14%, при выпуске, и/или доводке, и/или разливке, раскисление элементами, доводку, кристаллизацию и обработку сплава давлением, а охлаждение расплава ведут в процессе разливки и кристаллизации до 1147°С со скоростью более 10 град в мин.
-5
-7
Недостатками известного способа являются сложность технологического процесса и высокие затраты на исполнение. Проблемным является ввод в расплав дисперсной, легко возгоняемой горячими воздушными потоками сажи, фракцией 10-10 см. Трудоемкость ввода сажи в расплав не обеспечивает стабильности всего технологического процесса науглероживания сплава.
Заявляемое изобретение направлено на создание устойчивого способа науглероживания железоуглеродистых сплавов наноструктурированными науглероживателями, на повышение физико-механических свойств сплавов.
Для решения поставленной задачи в способе науглероживания чугуна с использованием наноструктурированного науглероживателя, включающем выплавку исходного чугуна, инжекционный ввод науглероживателя и выпуск расплава, при выплавке исходного расплава чугуна в электродуговых, индукционных печах им в газовых вагранках с копильником осуществляют перегрев расплава при температуре выше температуры ликвидуса на 10…400°С и используют науглероживатель с расположенными на его поверхности наноструктурированными частицами графита с размером 0,00001…0,01 мкм и в количестве 0,0001-0,01%, обеспечивающем образование заданной концентрации центров зарождения графитной фазы.
Способ науглероживания железоуглеродистых сплавов основан на применении наноструктурированного науглероживателя и состоит из следующих операций.
1. Выплавка исходного расплава в электродуговых, индукционных печах и в газовых вагранках с копильником.
2. Перегрев при температуре выше температуры ликвидуса на 10…400°С.
3. Инжекционный ввод наноструктурированного науглероживателя с расположенными на его поверхности наноструктурированными частицами графита с размером 0,00001…0,01 мкм и в количестве 0,0001-0,01%.
4. Последующий выпуск металла.
После данных операций следует перелив в печь выдержки, доводка по температуре и химическому составу, выпуск металла в разливочный ковш и заливка металла в литейные формы.
Перегрев сплава ниже 10°С над линией ликвидус не позволяет обеспечивать при вводе науглероживателя гомогенность жидкого состояния расплава, что снижает эффективность науглероживания.
Перегрев сплава выше 400°С над линией ликвидус повышает угар науглероживателя и снижает эффективность процесса.
Введение в железоуглеродистый сплав наноструктурированных частиц в количестве 0,0001-0,01 % обеспечивает стабильное усвоение углерода.
Введение наноструктурированных частиц науглероживателя в количестве, меньшем, чем 0,0001% не обеспечивает возможность образования требуемого количества центров зарождения графитной фазы, тем самым эффект науглероживания железоуглеродистого сплава является недостаточным.
Введение наноструктурированных частиц науглероживателя в количестве, большем, чем 0,01% вызывает избыточную концентрацию графитной фазы в железоуглеродистом сплаве, что отрицательно влияет на технологические свойства (жидкотекучесть), физико-механические свойства (твердость, предел прочности при растяжении).
Наночастицы с размером до 0,00001 мкм не оказывают значительного усиления графитизирующего эффекта в чугунах и наблюдается образование недостаточного количества центров зарождения графитной фазы. Наночастицы размером более 0,01 мкм выходят за границы наночастиц и свыше этого размера графитизирующий эффект снижается и не происходит увеличения образования центров зарождения графитной фазы.
Механизм действия наноструктурированного науглероживателя заключается в том, что при попадании частицы науглероживателя в расплав чугуна наноструктурированные элементы под действием термических напряжений отделяются от поверхности науглероживателя, и формируют зародыш графитного включения в жидком металле. При этом имеет место существование кластерного механизма зарождения и роста мелких кристаллов графита из расплава. Основа этого механизма заключается в бикластерных реакциях при кристаллизации:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext>+</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>→</mo><mtext>2</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext>+2</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>→</mo><mtext>3</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext>+3</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext> </mtext><mo>→</mo><mtext>4</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mtext>      </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mtext>+i</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub><mo>→</mo><mtext> (i+1)</mtext><msub><mi>α</mi><mtext>n</mtext></msub></mtd></mtr></mtable>
где
n
α - кластер в составе жидкой фазы;
n
2α - элементарный кристалл, полученный при срастании двух кластеров;
n
iα - кристалл срастания;
i - количество кластеров.
Механизм роста кристаллов за счет присоединения мелких кристаллов к более крупным кристаллам характерен для условий медленного роста при наличии малого переохлаждения и твердожидкой зоны в отливках, что наиболее характерно для сплавов, кристаллизующихся в условиях массового зарождения центров кристаллизации, именно конкурентный механизм роста отвечает за их срастание и укрупнение первичной кристаллической структуры отливок.
Сбалансированное количество наноструктурированных частиц приводит к формированию равномерной структуры железоуглеродистого сплава (графитная фаза + металлическая матрица), что обеспечивает условия достижения высоких физико-механических свойств в чугуне.
Предлагаемый способ науглероживания обеспечивает высокую степень усвоения углерода в сплаве в широком диапазоне температур (1350-1650°С) и позволяет устойчиво достигать длительность эффекта науглероживания (свыше двух часов).
При этом процессе отсутствует пироэффект и возгонка мелкодисперсных частиц науглероживателя над зеркалом металла, что улучшает экологические условия науглероживания железоуглеродистого сплава.
Предлагаемый способ науглероживания чугуна с использованием наноструктурированного науглероживателя подвергался сравнительным испытаниям с известным способом (патент RU 2196187) на основе исходных расплавов приготовленных в электродуговой, индукционной печах, а также в газовой вагранке с копильником.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.
Приведенные результаты сравнительных испытаний показывают, что заявляемый способ науглероживания позволяет более эффективно проводить технологическое повышение содержания углерода, увеличивать время сохранения эффекта науглероживания, что особенно важно при производстве высококачественных отливок без дополнительных операций - обработке сплава давлением, принудительному охлаждению (чтобы обеспечить повышенную скорость кристаллизации), а также предлагаемый способ обеспечивает экологическую применимость процесса без пыли и графитовой взвеси в воздухе рабочей зоны.
Заявляемый способ науглероживания чугуна с использованием наноструктурированного науглероживателя
- обеспечивает получение чугуна с высокими физико-механическими свойствами (предел прочности при растяжении, относительное удлиннение) за счет высокой степени науглероживания;
- является устойчивым благодаря длительному эффекту сохранения степени науглероживания и отсутствием пироэффекта;
- не предполагает дополнительной обработки давлением, поскольку не требуется регламентации управления скоростью охлаждения и последующей кристаллизации железоуглеродистого сплава;
- улучшает экологические условия процесса науглероживания.