ЛИГАТУРА ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ
MASTER ALLOY FOR REFINING AND MODIFYING CHROMIUM CAST IRONS

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к составам лигатур для рафинирования и модифицирования хромистых чугунов, применяемых для изготовления износостойких рабочих деталей гидронасосов, которые используют в горнорудной и металлургической промышленности для перекачки гидроабразивных смесей в виде пульпы, в том числе радиоактивных.
Известна лигатура, которая содержит углерод, медь, кремний, алюминий, хром, марганец, титан, никель и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 2,0-4,0; медь 5,0-40,0; кремний 2,0-5,0; алюминий 0,05-1,5; хром 0,15-2,0; марганец 0,20-0,5; титан 0,5-1,0; никель 0,25-1,0; железо  - остальное (RU 2017853, С22С 35/00, опубликовано 15.08.1994).
Наиболее близкой по технической сущности, достигаемому техническому результату и выбранным в качестве прототипа является лигатура для хромистых чугунов, содержащая титан, кремний, алюминий, бор, углерод и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 43,5; кремний 13,5; алюминий 20,0; бор 3,0; углерод 1,2; железо – остальное (Колокольцев В.М., Шевченко А.В., Шатохин И.М., Гольцов А.С. Повышение эксплуатационной стойкости отливок из чугуна ИЧХ28Н2 путем модифицирования его расплава комплексной лигатурой на основе титана и бора, Литейщик России, 15.08.2010, № 8, с. 9-12).
Недостатком известных лигатур является невозможность их использования для получения радиационно-стойких хромистых чугунов, используемых для изготовления отливок изделий (насосов) для перекачивания гидроабразивных смесей, в том числе радиоактивных, поскольку в составе лигатуры отсутствуют элементы, обеспечивающие радиационную стойкость и стабильность механических характеристик чугуна.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание состава лигатуры, позволяющей получать хромистые чугуны с повышенной радиационной стойкостью и стабильностью прочностных характеристик при воздействии радиоактивных гидроабразивных смесей.
Технический результат достигается тем, что лигатура для рафинирования и модифицирования хромистых чугунов содержит титан, кремний, алюминий, бор, углерод, ванадий, церий, марганец, самарий, никель, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 8-12; кремний 8-12; алюминий 4,5-5,5; бор 2,8-3,5; углерод 1,0-1,2; ванадий 8-12; церий 1,8-2,2; марганец 10-12; самарий 10-12; никель 28-32; кальций 0,5-1,5; железо - остальное.
Ванадий вводят в состав лигатуры в количестве 8-12% для повышения твердости и износостойкости чугуна за счет образования устойчивых и твердых карбидов VC и дополнительных центров кристаллизации, которые способствуют измельчению структуры. При содержании ванадия в лигатуре менее 8% он не оказывает влияния на структуру и свойства чугуна. При содержании ванадия в лигатуре более 12% его содержание в карбидах хрома растет, а содержание хрома, наоборот, снижается. В результате чего твердость карбидов понижается и, соответственно, износостойкость чугуна в условиях радиационного воздействия.
Церий вводят в состав лигатуры в количестве 1,8-2.2% для модифицирования хромистых чугунов с целью очищения расплава от газов и серы, снижающих радиационную стойкость чугуна после модифицирования. При содержании церия в лигатуре менее 1,8% он не очищает расплав от газов и неметаллических включений. Содержание церия в лигатуре более 2,2% ведет к образованию сложных включений эвтектического типа, которые ухудшают свойства чугуна.
Марганец вводят в состав лигатуры в количестве 10-12% для стабилизации аустенита во всех температурных зонах превращения. При содержании марганца в лигатуре менее 10% создаются условия для образования перлита, который имеет низкую твердость. При содержании марганца в лигатуре более 12% содержание углерода в аустените возрастает, в результате чего снижается количество карбидов и возрастает доля остаточного аустенита. Это способствует снижению твердости хромистого чугуна.
Кальций вводят в состав лигатуры в количестве 0,5-1,5% для рафинирования чугуна с целью уменьшения в нем количества неметаллических включений и устранения дендритной кристаллизации аустенита. При содержании кальция в лигатуре менее 0,5% он не очищает расплав от неметаллических включений. При содержании в лигатуре кальция более 1,5% он снижает износостойкость за счет огрубления структуры и образования шлака.
Самарий вводят в состав лигатуры в количестве 10-12% для повышения устойчивости хромистого чугуна к воздействию радиации за счет поглощению радиационного излучения. При содержании самария в лигатуре менее 10% мало влияет на повышение радиационной стойкости хромистого чугуна. При содержании самария в лигатуре более 12% дальнейшее повышение захвата тепловых нейтронов не происходит и становится экономически нецелесообразным его применение в таком количестве.
Никель вводят в состав лигатуры в количестве 28-32% для повышения твердости хромистого чугуна. При содержании никеля в лигатуре менее 28%) создаются условия для образования перлита, обладающего низкой твердостью. При содержании никеля в лигатуре более 32% возрастает доля остаточного аустенита, который также имеет низкую твердость.
Лигатуру выплавляли в индукционной печи. Компоненты лигатуры вводили в печь в следующей последовательности: в тигле печи расплавляют металлический никель и алюминий. В жидкую ванну при 1500°С вводили силикокальций, углеродистый ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, ферробор, феррованадий, ферроцерий, самарий. Ванну выдерживают в течение 3-5 мин и после перемешивания и окончательного растворения всех компонентов расплавленную лигатуру разливают по изложницам.
Лигатуру по изобретению использовали для выплавки высокохромистого белого чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, бор, ниобий, самарий, церий, кальций и железо.
В таблице приведены составы известной (прототип) и предложенной лигатур, а также радиационная стойкость высокохромистого чугуна, полученного с использованием известной лигатуры и лигатуры по изобретению, выраженная величиной поперечного сечение захвата тепловых нейтронов. Сравнительные исследования чугунов показали, что использование лигатуры по изобретению повышает в 1,2-1,3 раза прочностные характеристики чугуна, в 5,7 раза радиационную стойкость и обеспечивает стабильность служебных характеристик хромистого чугуна при гидроабразивном износе.