СПОСОБ КОВШЕВОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СЕРОГО ЧУГУНА
LADLE MODIFICATION METHOD OF GREY CAST IRON

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к способам ковшевого модифицирования конструкционных серых чугунов для изготовления корпусных литых деталей с низкими остаточными термическими напряжениями и повышенной трещиностойкостью.
Известен способ получения модифицированных железоуглеродистых сплавов (А.с. СССР №555139, МПК С21С 1/00, 1977), включающий введение на поверхность расплава, находящегося в специальной емкости, изолированной от атмосферы, кальцийсодержащего комплексного модификатора и механическое его перемешивание со сплавом. При осуществлении этого способа отмечается низкое усвоение модификатора, недостаточная длительность сохранения расплавом модифицирующего эффекта и значительное снижение температуры расплава после модифицирования, что затрудняет его использование при изготовлении ответственных корпусных отливок.
Известен также способ ковшевого модифицирования серого чугуна (А.с. СССР №551371, МПК С21С 1/00, 1977), включающий введение в жидкий расплав присадки бора. Однако при использовании этого способа модифицирования чугуна в корпусных отливках отмечаются высокие остаточные термические напряжения и повышается склонность к отбелу.
По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким техническим решением является способ ковшевого модифицирования серого чугуна (Алов В.А. Модифицирование серого чугуна с использованием алюминотермии. - М.: Электротехническое производство. Передовой опыт и научно-техн. достижения, 1990, вып.5), включающий введение в расплав после заполнения ковша на 1/3 его высоты прокаленной при температуре 200-300°С экзотермической смеси из отходов алюминиевых сплавов в виде стружки, оксидов железа и криолита в количестве 0,3-0,4%, заполнение ковша расплавом до полного объема и механическое перемешивание в течение 0,1-0,2 мин. Этот способ модифицирования с использованием экзотермической смеси на основе оксидов железа с добавлением стружки алюминиевого сплава и криолита способствует повышению температуры расплава, формированию жидкоподвижного реакционно-способного шлака и повышению механических свойств чугуна в отливках. Предел прочности чугуна при растяжении составляет 181-238 МПа, а при изгибе - 370-420 МПа.
Однако этот способ ковшевого модифицирования не снижает термических напряжений в отливках, не улучшает их трещиностойкости и не ликвидирует отбел чугуна как в клиновых технологических пробах, так и тонких стенках отливок.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости и снижение остаточных термических напряжений и склонности чугуна к отбелу.
Поставленная задача решается тем, что способ ковшевого модифицирования серого чугуна, включающий введение в расплав после заполнения ковша на 1/3 его высоты прокаленной при температуре 200-300°С экзотермической смеси, содержащей алюминиевый сплав в виде стружки, оксиды железа и криолит, в количестве 0,3-0,4%, заполнение ковша расплавом до полного объема и перемешивание его в течение 0,1-0,2 мин, дополнительно включает присадку карбида кальция на дно ковша перед заливкой железоуглеродистого расплава в количестве 0,15-0,25% от массы заливаемого чугуна, а в состав экзотермической смеси дополнительно введены ферробор и угольная пыль при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминиевый сплав в виде стружки
33-55
Оксиды железа
25-34
Криолит
12-17
Ферробор
5-9
Угольная пыль
3-7
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения.
Дополнительное модифицирование чугуна карбидом кальция в количестве 0,15-0,25% оказывает графитизирующее влияние на структуру, снижает термические напряжения в отливках и склонность чугуна к отбеливанию. При введение карбида кальция менее 0,15% его влияние на структуру и отбел чугуна проявляется слабо, а при увеличении содержания его более 0,25% снижаются характеристики прочности и трещиностойкости чугуна в отливках.
Введение в экзотермическую смесь ферробора в количестве 5-9% обусловлено его влиянием на структурную неоднородность расплава и дисперсность структуры (перлита), повышение прочности и трещиностойкости чугуна в отливках. Его влияние начинает сказываться с концентрации 5%, а при повышении его содержания более 9% увеличиваются термические напряжения в отливах и отбел.
Введение угольной пыли в количестве более 3% повышает графитизирующую способность смеси, снижает отбел и термические напряжения чугуна в отливках. При добавке ее в смесь более 7% повышаются безвозвратные потери и снижаются жидкотекучесть и другие технологические свойства чугуна.
Оптимальное содержание криолита в термитной смеси составляет от 12 до 17%. Он выполняет функцию разжижающей добавки, способствующей интенсификации экзотермических реакций и повышению стабильности получаемых в отливках механических и технологических свойств.
Среднее содержание в смеси алюминиевого сплава и оксидов железа соответствует стехиометрическому соотношению и общепринятым нормам их концентраций в термитных смесях при производстве из серого чугуна отливок ответственного назначения, обеспечивающих повышение жидкотекучести и температуры расплава в литейных ковшах (на 70-90%). Для повышения графитизирующей и модифицирующей способности экзотермической смеси, дисперсности графитных включений и трещиностойкости отливок верхние пределы содержания алюминиевого сплава и оксидов железа в ней ограничены соответственно концентрациями в 55% и 34% соответственно.
Опытные плавки серых чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием передельных чугунов, чугунного лома 17А и 19А, стального лома 1А, чугунной стружки 5НТ, 5МГ, карбюризатора и ферросплавов. Химический состав выплавленного чугуна перед выпуском его в раздаточный ковш, мас.%: 3,4-3,6 С; 1,8-2 Si; 0,45-0,60 Mn; 0,05-0,07 Cr; 0,10-0,12 Р; 0,13-0,15 Ni; 0,08-0,11 S; 0,011-0,013 N и железо - остальное. Модифицирование чугуна проводят в конических раздаточных ковшах с использованием карбида кальция, вводимого в количестве 0,15-0,25% на дно ковша, и экзотермической смеси, содержащей алюминиевый сплав АК7 в виде стружки, оксиды железа и криолит, прокаленной при 200-300°С и присаживаемой после заполнения ковша расплавом на 1/3 его высоты в количестве 0,3-0,4%. В табл.1 приведены составы экзотермических смесей, используемых при модифицировании известным и предложенным способами.
Для определения свойств модифицированного серого чугуна заливают решетчатые, клиновые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы и жидкостекольные литейные формы для получения корпусных разностенных отливок. Трещиностойкость чугуна определяют на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Исследования микроструктуры, механические (по ГОСТ 27208-87) и технологические испытания проведены на стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам.
Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3443-87. Результаты механических и технологических испытаний и металлографических исследований модифицированного чугуна, полученного известным и предложенным способами ковшевого модифицирования, приведены в табл.2.
Как видно из табл.2, предложенный способ ковшевого модифицирования серого чугуна (опыты 3, 4 и 5) обеспечивает литым изделиям более низкие остаточные термические напряжения и отбел в отливках и более высокую их трещиностойкость, чем известный способ модифицирования.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов в термитных смесях (%) в опытах
1 /Изв./
2
3
4
5
6
Алюминиевый сплав
37
25
33
45
55
57
Оксиды железа
43
40
34
27
25
23
Криолит
20
20
17
15
12
6
Ферробор
-
4
9
7
5
12
Угольная пыль
-
11
7
5
3
2
Таблица 2
Показатели
Свойства серых чугунов, полученных в опытах
1 /Изв./
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
408
412
460
490
485
437
Твердость, НВ
180
187
179
175
171
184
Отбел, мм
5
5
2
5
Дисперсность перлита
ПД1,0-ПД1,4
ПД0,5-ПД1,0
ПД0,3-ПД0,5
ПД0,3
ПД0,3-ПД0,5
ПД1,0-ПД0,5
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе)
8,6
8,1
5,2
3,5
3,0
5,5
Остаточные термические напряжения, МПа
25,6
21,4
17,5
15,6
14,2
18,1