ЛИГАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА
ADDITION ALLOY TO PRODUCE CASTS FROM GREY CAST IRON

Изобретение относится к металлургии и может широко использоваться в машиностроении и тракторостроении при производстве отливок из серого чугуна с перлитной структурой металлической основы.
Известна лигатура для производства отливок из серого чугуна, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Медь
45,0-55,0
Олово
5,5-6,5
Кремний
15,0-20,0
Кальций
0,03-0,2
Алюминий
0,1-1,0
Железо
остальное
Известный состав лигатуры представлен в описании изобретения «Лигатура» к патенту РФ №2360025 по классам МПК С22С 35/00, С21С 1/08, которую используют в дробленом виде с размером частиц 3,2-16 мм.
Недостатком известной лигатуры является невозможность рафинирования чугуна от неметаллических включений в виде оксидов и сульфидов, а также вредных примесных элементов, таких как мышьяк и сурьма, что снижает механические свойства, а именно твердость и прочность, отливок из серого чугуна. Также отрицательно на эти свойства влияют увеличенные размеры включений графита в производимых отливках.
Известная лигатура по патенту РФ №2360025 выбрана в качестве прототипа, т.к. является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемой лигатуре для производства отливок из серого чугуна.
Задачей настоящего изобретения является повышение механических свойств (твердости и прочности) отливок из серого чугуна перлитного класса.
Технический результат при осуществлении изобретения заключается в рафинировании серого чугуна, то есть избавлении от неметаллических включений и вредных примесей. Кроме того, достигается высокая однородность состава лигатуры даже при дроблении ее до фракций размером не менее 0,3 мм.
Указанная задача решается за счет того, что лигатура для производства отливок из серого чугуна, включающая медь, олово, кремний, кальций, алюминий и железо, согласно изобретению дополнительно содержит редкоземельные металлы и барий в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь
45,0-65,0
Олово
5,5-15,0
Кремний
15,0-20,0
Кальций
0,5-3,0
Алюминий
0,1-1,0
Барий
0,5-2,0
Редкоземельные
металлы
1,0-3,0
Железо
остальное
Заявляемая лигатура использована в дробленом виде с размером частиц не менее 0,3 мм.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемая лигатура для производства отливок из серого чугуна 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, с применением известных технологий, материалов и стандартного отечественного или импортного оборудования. Она может широко использоваться на предприятиях, изготавливающих отливки из серого чугуна перлитного класса.
Следовательно, заявляемая лигатура соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемому изобретению новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
Кальций в количестве 0,5-3,0 мас.% вводится в лигатуру для повышения механических свойств чугуна за счет его рафинирующего действия и удаления из чугуна неметаллических включений: оксидов, сульфидов и других. При содержании кальция в лигатуре выше верхнего предела в процессе ее растворения увеличиваются шлакообразование и содержание неметаллических включений, снижаются механические свойства чугуна. При содержании кальция в лигатуре ниже нижнего предела он не оказывает влияния на свойства чугуна. Кальций в пределах 0,5-3,0 мас.% стабилизирует жидкое состояние лигатуры, а при ее охлаждении способствует измельчению зерна и получению однородного по химическому составу металла, что позволяет вовлечь в производство чугунных отливок и более тонкие, чем у прототипа, фракции с размером частиц 0,3 -3,2 мм.
Редкоземельные металлы (далее РЗМ) используют для рафинирования чугуна от вредных примесных элементов (мышьяка и сурьмы), снижающих его механические свойства. Содержание мышьяка и сурьмы обычно составляет 0,003-0,006 мас.%. Если навеска используемой для обработки чугуна лигатуры составляет 1% от веса чугуна, то для нейтрализации вредных примесных элементов необходимо ввести в лигатуру около 1 мас.% РЗМ. Как показали опыты, снижение в лигатуре РЗМ ниже 1 мас.% и повышение сверх 3 мас.% не приводит к повышению механических свойств чугуна.
Поскольку заявляемая лигатура предназначена для использования при производстве отливок из серого чугуна с перлитной основой, необходимо предусмотреть создание большого количества мелких зародышей графита в жидком чугуне и уменьшение размеров включений графита в отливках. С этой целью наряду с введением в заявляемую лигатуру РЗМ вводится также барий в пределах 0,5-2,0 мас.% для создания центров кристаллизации и измельчения включений графита. При концентрации бария в лигатуре менее 0,5 мас.% он не оказывает существенного влияния на механические свойства чугуна. Увеличение концентрации бария выше 2 мас.% нецелесообразно, т.к. дальнейшее его увеличение приводит к уменьшению механических свойств чугуна за счет ошлаковывания лигатуры. Кальций является графитизатором чугуна, хотя и более слабым, чем барий. Поэтому с увеличением концентрации кальция концентрацию бария в лигатуре следует уменьшать.
По сравнению с прототипом в заявляемой лигатуре увеличены верхние пределы меди до 65 мас.% и олова до 15 мас.% соответственно. С увеличением содержания олова в лигатуре следует увеличивать и содержание кальция для получения однородного по химическому составу металла. Верхний предел содержания олова, равный 15,0 мас.%, в лигатуре ограничен невозможностью увеличения в ней концентрации кальция выше 3 мас.%. Верхний предел концентрации меди 65 мас.% ограничен невозможностью при более высоких ее содержаниях обеспечить в лигатуре требуемую концентрацию других элементов.
Путем химического анализа заявляемой лигатуры различного фракционного состава на содержание меди, олова и кремния установили, что в частицах лигатуры размером менее 0,3 мм уменьшается содержание меди и олова и увеличивается содержание кремния. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Размер частиц, мм
менее 0,3
0,3-1,0
1,0-3,2
3,2-32
Содержание, мас.%
Cu
43,2
50,2
49,5
50,4
Sn
4,9
6,02
6,07
6,04
Si
23,2
16,4
16,1
16,3
Таким образом, заявляемая лигатура за счет снижения нижнего предела размера частиц до 0,3 мм позволяет по сравнению с прототипом расширить фракционный состав лигатуры с сохранением однородности химического состава. Во фракциях с размером частиц менее 0,3 мм, как видно из таблицы 1, химический состав лигатуры не был однороден.
Для изучения влияния на механические свойства чугуна дополнительного введения в лигатуру РЗМ и бария, а также расширения пределов кальция был взят базовый состав чугуна, содержащий, мас.%:
Углерод
3,32
Марганец
0,71
Кремний
2,23
Хром
0,13
Никель
0,10
Титан
0,03
Сера
0,08
Фосфор
0,09
Мышьяк и
сурьма вместе
0,004
Чугун плавили в дуговой печи марки ДППТУ-12.
Для испытания опытного состава лигатуры №10 таблицы 2 (см. в приложении) с максимальным содержанием олова 14,6 мас.% изготовили чугун, который наряду с указанными выше элементами содержал дополнительно 0,31 мас.% меди.
Обработку жидкого чугуна лигатурой с размером частиц 0,3-16 мм производили в ковше емкостью 1,5 тонны. Навеску лигатуры, рассчитанную из условия получения в чугуне 0,06% Sn и 0,54% Cu, задавали единой порцией на дно ковша непосредственно перед выпуском металла из печи.
Механические свойства чугуна, полученные при испытании стандартных проб отливки «Головка цилиндров», представлены в таблице 2.
Как видно из опытов 2, 5, 6 и 8 таблицы 2, использование лигатуры с оптимальным содержанием хотя бы одного из химически активных компонентов, таких как кальций, барий и РЗМ, приводит по сравнению с опытом 1 (прототипом) к некоторому повышению механических свойств чугуна. При содержании кальция в лигатуре менее нижнего предела (см. опыт 7) он не оказывает влияния на свойства чугуна. При концентрации бария в лигатуре менее 0,5 мас.%, как видно из опыта 3, он также не оказывает существенного влияния на механические свойства чугуна. Из опыта 4 видно, что увеличение концентрации бария выше 2 мас.% приводит к уменьшению механических свойств чугуна. Опыт 9 показывает, что снижение в лигатуре РЗМ ниже 1 мас.% не приводит к повышению механических свойств чугуна. Однако лучшие результаты могут быть получены при наличии в лигатуре одновременно всех трех компонентов, а именно кальция, бария и РЗМ, если их концентрации лежат внутри заявленных пределов - см. опыты 10-13.
Сравнение результатов опыта 1 (прототип) и опытов 10-13 (лигатура заявляемого состава) свидетельствует, что дробление заявляемой лигатуры позволяет по сравнению с прототипом повысить на 8-9% выход годного для микролегирования чугуна продукта.
Лигатура должна полностью растворяться в металле в течение времени заполнения ковша чугуном. Чем больше размер частицы, тем больше время ее растворения.
Таблица 3
Емкость ковша, кг
10-50
50-100
100-250
250-1000
1000-1500
1500-2200
Максимальный размер частиц лигатуры, мм
1,2
2,0
3,2
10
16
32
Минимальный размер частиц лигатуры, мм
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
Таким образом, минимальный размер частиц дробленой лигатуры 0,3 мм определен необходимостью получения лигатуры однородного химического состава, а максимальный, как видно из таблицы 3, определяется емкостью ковша, в котором производится обработка чугуна лигатурой. Для ковша большей емкости, чем указано в таблице 3, максимальный размер частиц лигатуры увеличивается и определяется опытным путем.
Пример получения лигатуры
Плавление заявляемой лигатуры осуществляется в дуговых или индукционных электропечах. В качестве шихтовых материалов используют чистый лом меди или катодную медь, элементарное олово в слитках, кремний, ферросилиций, высокопроцентные силикокальций и силикобарий. Для получения 100 кг товарной крупки с размером частиц 0,3-16 мм и содержанием 6% олова в печь загружают 6,75 кг олова, 56,4 кг меди, 1,1 кг РЗМ, 5,2 кг силикокальция марки СК15, 9,4 кг силикобария с содержанием бария 20-22% и 32,1 кг 65%-ного ферросилиция.
Для получения 100 кг товарной крупки с размером частиц 0,3-16 мм и содержанием олова 15% в печь загружают 16,2 кг олова, 63,5 кг меди, 10,0 кг силикокальция марки СК30, 7,8 кг высокопроцентного силикобария с содержанием бария 20-22%, 3,5 кг РЗМ и 11 кг кремния.
После расплавления шихты и нагрева до образования гомогенного расплава лигатуру разливают в чугунные изложницы и после охлаждения подвергают дроблению и рассеву.
Лигатуру с размером частиц 0,3-16 мм или с иным максимальным размером частиц упаковывают в стальные барабаны или мягкие специализированные контейнеры и отправляют потребителям.
При микролегировании лигатуру определенными порциями загружают на дно ковша мерной емкостью непосредственно перед выпуском чугуна из плавильной печи.
Заявляемая лигатура по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- повышение механических свойств чугуна;
- повышение выхода годного продукта при дроблении.
Таблица 2
Лигатура для производства отливок из серого чугуна
№п/п
Состав лигатуры, мас.%
Выход годного продукта, мас.%
Навески лигатуры, кг
Содержание в отливках, мас.%
HB**
σ<sub>в</sub>***,МПа
Sn
Cu
Si
Ca
Ba
РЗМ
Al
Fe
Sn
Cu
1*
5,9
50,1
16,3
0,04
-
-
0,48
ост.
86,5
16,1
0,061
0,54
221
246
2
6,10
50,8
16,8
0,03
1,5
-
0,53
ост.
85,5
16,0
0,059
0,55
233
270
3
6,15
51,2
17,2
0,03
0,2
-
0,67
ост.
86,1
16,0
0,061
0,52
218
250
4
6,02
51,4
17,0
0,04
2,5
-
0,54
ост.
85,7
16,0
0,057
0,52
215
240
5
5,9
50,5
16,4
2,8
-
-
0,61
ост.
94,7
16,0
0,060
0,57
232
265
6
6,03
50,1
17,1
0,6
-
-
0,58
ост.
95,2
16,0
0,059
0,55
228
261
7
5,85
49,5
16,9
0,20
-
-
0,43
ост.
87,6
16,0
0,063
0,50
220
243
8
5,9
50,3
16,1
0,04
-
1,07
0,45
ост.
85,5
16,0
0,058
0,51
232
275
9
6,1
50,7
17,1
0,04
-
0,68
0,56
ост.
87,2
16,0
0,062
0,48
225
256
10
14,6
56,3
17,9
2,7
1,3
2,3
0,65
ост.
94,6
6,2
0,058
0,56
248
310
11
7,53
64,4
16,0
1,30
1,1
1,46
0,55
ост.
95,8
17,6
0,062
0,53
242
302
12
6,05
50,1
16,3
0,8
1,45
1,08
0,61
ост.
95,1
16,0
0,060
0,49
246
305
13
5,6
45,4
15,1
0,66
1,52
1,06
0,61
ост.
95,3
17,0
0,061
0,53
240
310
Примечание: * опыт 1 - прототип;
* * НВ - твердость чугуна;
*** σ<sub>в</sub> - временное сопротивление разрыву при растяжении.