СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГРАФИТНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ВЫСОКОПРОЧНОМ ЧУГУНЕ
PROCEDURE FOR CRUMBLING GRAPHITE INCLUSIONS IN HIGH STRENGTH IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки расплава для получения высокопрочного чугуна с дисперсными включениями шаровидного графита.
c
Известен способ [1, с.810-812] увеличения эффективных зародышей графита, за счет получения чугуна эвтектического состава (S=1). Технологический процесс получения такого чугуна включает раскисление и десульфурацию исходного расплава с применением метода термического анализа и получения специальной клиновидной пробы для контроля зародышевого состояния графитной фазы и склонности чугуна к отбелу. Шаровидный графит в чугуне получают модифицированием Fe-Si-Mg-лигатурой (3,7% Mg) в количестве 1,2-1,4% от массы металла. Способ имеет следующие недостатки: большое количество технологических операций усложняет подготовку расплава; изначально полученный в печи чугун эвтектического состава при последующем модифицировании кремнийсодержащей лигатурой приобретает состав заэвтектического чугуна, что приводит к выделению первичного графита и, как следствие, его укрупнению.
Известен способ [2, с.50-51] первичного модифицирования, заключающийся в обработке расплава в электропечи с использованием малых добавок ферросилиция, графита и карбида кремния, для повышения числа эффективных зародышей графита в высокопрочном чугуне. Недостатком способа является использование сильных графитизирующих элементов (С и Si) без предварительной корректировки химического состава расплава по этим элементам, что приводит к структурной графитной неоднородности. Она возникает как следствие химической неоднородности расплава и является причиной появления локальных областей заэвтектического состава, в которых при последующей кристаллизации выделяется крупный первичный графит. Двойное модифицирование применяют в основном для получения ферритных высокопрочных чугунов. Инокулирующие модификаторы быстро утрачивают эффективность процесса зародышеобразования графита при увеличении времени выдержки промодифицированного расплава.
Наиболее близким по техническим решениям, выбранным в качестве прототипа, является способ [3] получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна, включающий расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры расплава до 1420-1480°С, первоначальное модифицирование его лигатурой, содержащей редкоземельные металлы и кремний, и вторичное модифицирование. Первоначальное модифицирование проводят до появления эффекта перемодифицирования чугуна, а вторичное модифицирование проводят лигатурой, содержащей РЗМ, Mg и Si, в количестве 0,1-1,2% от массы металла при 1300-1400°С. Количество лигатуры, которую вводят в расплав при первоначальном модифицировании, возможно определять по получению вермикулярного графита. Первоначальное модифицирование проводят лигатурой, содержащей 8-40% РЗМ, 20-60% Si, 0,1-1,5% Al, 0,5-6% Ca, 0,1-3% Mg, 0,1-2,5% Сu, в количестве 0,6-2,5% от массы расплава. Первоначальную обработку расплава проводят на желобе плавильной печи или в раздаточном ковше. Вторичное модифицирование можно производить в ковше, в миксере или в форме.
Однако этот способ имеет следующие недостатки. Отсутствие эффективных экспресс-методов контроля не позволяет оценить эффект перемодифицирования чугуна в условиях низкой «живучести» первичного модифицирования расплава при температурах 1420-1480°С. Контроль количества лигатуры, используемой при первоначальном модифицировании, по микроструктуре чугуна в технологических условиях плавки не возможен. Большой интервал в количестве вторичного модификатора от 0,1 до 1,2% не гарантирует стабильность формы графитных включений в высокопрочном чугуне. Использование при первоначальном и вторичном модифицировании дорогостоящих и дефицитных лигатур, содержащих РЗМ, повышает себестоимость изделий, получаемых из такого чугуна.
Целью изобретения является разработка способа стабильного получения высокопрочного чугуна с дисперсными графитными включениями шаровидной формы.
Указанная цель достигается тем, что осуществляют легирование расплава медью, первичное модифицирование проводят мелкофракционным ферросилицием ФС75 в количестве 0,15-0,20% от массы расплава, а вторичное модифицирование проводят комплексной лигатурой, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22 фракцией 4-8 мм, при этом время выдержки между первичным и вторичным модифицированием не превышает 3 мин. Первичное модифицирование можно производить в индукционной печи, на желобе печи при сливе металла в ковш, в индукционном миксере или в разливочном ковше. Вторичное модифицирование проводят в ковше, при этом расход комплексной лигатуры, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22, составляет 2,0-2,5% от массы расплава, или в форме при этом количество комплексной лигатурой уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава, заливаемого в форму. Обработку расплава модификаторами осуществляют до достижения чугуном эвтектического состава, в мас.%:
углерод
3,10…3,25
кремний
3,70…4,00
марганец
0,20…0,25
медь
1,00…1,50
фосфор
0,02…0,03
сера
0,01…0,012
магний
0,04…0,07
железо
остальное
Использование такого метода обеспечивает стабильное получение мелких шаровидных включений графита (диаметром 7-20 мкм) и их равномерное распределение по сечению отливок. Мелкая, равномерно распределенная графитная фаза в чугуне, имеющая правильную шаровидную форму, способствует повышению механических свойств изделий. Уменьшение размеров графитных включений приближает чугунные детали по свойствам к стальным, при сохранении технологических и эксплуатационных преимуществ, присущих чугунам.
Сочетание химических компонентов расплава в печи с учетом использования в последующем кремнийсодержащих модификаторов должно обеспечивать получение чугуна эвтектического состава. Поэтому при расчете шихты учитывают изменения степени насыщенности чугуна по кремнию при двойном модифицировании кремнийсодержащими лигатурами.
c
Основное внимание при расчете шихты уделяют кремнию и углероду, поскольку именно их сочетание обеспечивает требуемый уровень степени насыщенности чугуна (S=1). Применение чугунов эвтектического состава позволяет избежать выделения первичных фаз (аустенита или графита) и тем самым добиться более равномерного распределения эвтектических ячеек в структуре.
Пониженное содержание углерода в чугуне используется для получения мелких графитных включений, т.к. углерод является исходным материалом для графита. Требуемая степень насыщенности достигается повышенным легированием чугуна кремнием до 4%. Кремний добавляется в расплав несколькими этапами. Во-первых, наибольшее количество кремния вносится с расплав с шихтой. Во-вторых, при печном инокулирующем модифицировании. В-третьих, при сфероидизирующей обработке в составе комплексной лигатуры.
Традиционно считают, что высокое содержание кремния приводит к вырождению сферической формы графита, но это явление не наблюдается в условиях использования процесса двойного модифицирования высокопрочного чугуна, легированного медью.
Эффективность влияния на процессы зародышеобразования графита в расплаве чугуна печного модифицирования ферросилицием объясняется гетерогенизацией расплава на микрообъемы с высоким содержанием кремния, обедненные углеродом, и наоборот. Изначально кремний повышает коэффициент активности углерода в жидких растворах на основе железа и способствует расслоению расплава. Последующее инокулирующее модифицирование приводит к повышению устойчивости флуктуации химического состава в жидком чугуне. Гетерогенизация расплава является причиной формирования зародышей графита в микрообъемах с высоким содержанием углерода, т.к. в этих областях концентрация углерода фактически становится заэвтектической.
Медь в расплаве оказывает кинетическое влияние на процессы графитообразования. Легирование расплава медью приводит к его расслоению по этому элементу, т.к. медь обладает ограниченной растворимостью в сплавах железа. При этом наблюдается повышенная концентрация меди у графитных включений, она блокирует процесс диффузии углерода к графиту и препятствует последующему росту графитных включений. В итоге наблюдается равномерное распределение мелких включений в структуре чугуна.
Содержание марганца выдерживается на нижнем переделе, который обусловлен концентрацией этого элемента в исходных шихтовых материалах.
Содержание серы и фосфора принято на уровне примесей, количество которых в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами и десульфурацией магнийсодержащими модификаторами.
Магний вводится в чугун при сфероидизирующем модифицировании, как составляющий элемент магнийсодержащих лигатур. Его остаточное содержание в пределах 0,04-0,06 обеспечивает получение в чугуне графита шаровидной формы.
Использование комплексного модификатора на основе Fe-Si-Mg лигатуры с добавками редкоземельных элементов, в частности Се, и барийсодержащего модификатора обеспечивает получение сфероидальной формы графита в чугуне. Дополнительный ввод барийсодержащей лигатуры обеспечивает повышение графитизации расплава чугуна и способствует длительному сохранению модифицирующего эффекта.
Для получения комплексного модификатора составляющие его лигатуры измельчают до фракции 4-8 мм и перемешивают до получения равномерного распределения составляющих компонентов. Не допускается использование мелкофракционного модификатора SIBAR22 (0,5-1 мм), т.к. малые размеры могут быть следствием его рассыпания при вылеживании. Механизм рассыпания связан с взаимодействием лигатуры с кислородом воздуха, это снижает модифицирующий эффект.
Для деталей, имеющих толстые стенки и сложную конфигурацию, первичную обработку ферросилицием проводят в разливочном ковше, а вторичное модифицирование в форме. Позднее модифицирование повышает эффективность получения мелкодисперсных включений графита в структуре чугуна.
При внутриформенном модифицировании повышается усвоение Mg, поэтому количество водимой комплексной лигатуры уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава, заливаемого в форму.
При печном модифицировании используют индукционные тигельные печи или канальные миксеры. Конвективные потоки, обусловленные воздействием электромагнитного поля индуктора на расплав, способствуют интенсивному его перемешиванию и равномерному распределению модификатора.
Важным условием получения мелких графитных включений в чугуне является позднее модифицирование и малый временной промежуток между процессами первичного и вторичного модифицирования. Увеличение времени выдержки металла в печи свыше 2-3 мин после первичного модифицирования приводит к постепенному угасанию инокулирующего эффекта. Для предотвращения этого явления проводят модифицирование на желобе печи при сливе расплава в ковш. При этом ферросилиций равномерно подают в струю металла в ранее указанной пропорции. Время выдержки расплава между первичным и вторичным модифицированием не должно превышать 3 мин.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок из высокопрочного чугуна с равномерно распределенными в структуре мелкими включениями шаровидного графита. Заготовки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению отливки, за счет мелких включений графита по свойствам приближаются к конструкционным доэвтектоидным сталям и могут широко использоваться в различных отраслях народного хозяйства.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов.
Плавку чугуна осуществляют в плавильных электропечах. Расплав легируют в печи медью. Проводят двойное модифицирование. Первичное модифицирование осуществляют в печи, в миксере, при сливе в ковш или в ковше, с использованием ферросилиция. Вторичное модифицирование реализуют с использованием комплексной лигатуры. Вторичное модифицированием проводят в ковше сэндвич-процессом или в форме.
Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с требуемой микроструктурой.
Пример. Плавку чугуна проводили в индукционной тигельной печи промышленной частоты, емкостью 50 кг с кислой футеровкой. В качестве шихты для получения полусинтетического чугуна использовали чугун ПВК - НК и сталь Ст3. Для науглероживания расплава использовали графитизированный коксик. Для легирования использовали электролитическую медь. Обработку расплава чугуна проводили способами, представленными в табл.1.
Таблица 1
Способы обработки расплава
№ способа обработки расплава
Первичное модифицирование
Время между первичным и вторичным модифицированием, мин
Вторичное модифицирование
Состав модификатора
Количество и способ ввода в расплав
Состав модификатора
Количество и способ ввода в расплав
1
ФС 75 по ГОСТ 1415-79
0,25% в печи
3
Комплексная лигатура**
2,5% в ковше
2
ФС 75 по ГОСТ
0,2% в ковше
5
Комплексная лигатура***
2,0% в ковше
3
ФС 75 по ГОСТ
0,2% в печи
2
Комплексная лигатура**
1,3% в форме
4
ФС 75 по ГОСТ
0,2% на желобе печи при сливе в ковш
3
Комплексная лигатура**
1,3% в форме
5*
20% Се, 45% Si, 0,5% Al, 1% Са, 3% Mg, 0,3% Cu
2% в ковше
5
ФСМг-7 по ТУ 14-5-134-86
0,5% в ковше
Примечание * - способ обработки расплава в соответствии с прототипом [3],
** - комплексная лигатура, состоящая из 70% ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86) и 30% SIBAR22 (ТУ 082-001-72684889-06) (фракция 5-6 мм),
*** - комплексная лигатура, состоящая из 50% ФСМг-7 и 50% SIBAR22 (фракция 5-6 мм).
Чугун заливали в песчано-глинистые барабанные формы с сифонной литниковой системой для получения цилиндрических заготовок ⌀ 30 мм, из которых изготавливали образцы для исследования микроструктуры и механических свойств. Результаты микроструктурного анализа и исследования механических свойств образцов из чугуна представлены в табл.2.
Таблица 2
Микроструктура и механические свойства высокопрочного чугуна
№ способа обработки расплава (таблица 1)
Механические
Микроструктура чугуна по ГОСТ 3443 - 87
свойства
Графит
Металлическая основа
σ<sub>в</sub>,
δ,
Форма
Размер
Распределение
Количество
Перлит (Феррит)
Дисперсность перлита
МПа
НВ
%
1
ШГф5
ШГд25
ШГр1
ШГ6
П6(Ф94)
Пд0,5
375
163
18
50%
2
ШГф5
ШГд25
ШГр4,
ШГ4,
П0(Ф)
-
290
137
4
+ 50%
ВГр2
ВГ70
ВГф3
3
ШГф5
ШГд15
ШГр1
ШГ10
П20(Ф80)
Пд0,5
420
183
16
4
ШГф5
ШГд15
ШГр1
ШГ10
П20(Ф80)
Пд 0,5
400
179
15
70%
ШГф5
ШГд15
ШГ6,
5*
+ 30%
ШГд25
ШГр4
ВГ70
П20(Ф80)
Пд0,5
350
167
7
ВГф3
Примечание * - структура и свойства чугуна после обработки расплава в соответствии с прототипом [3]
Химический состав чугуна, % мас.: 3,0-3,3 С; 3,5-3,9 Si; 0,2-0,25 Mn; 1,0-1,25 Сu; 0,025-0,028 Р; 0,01-0,012 S; 0,03-0,08 Mg.
В чугуне, обработанном по способу №1 (табл.1 и 2), не обеспечиваются наивысшие свойства по причине превышения лимита ввода ФС75 при первичном модифицировании в печи. В чугуне, модифицированном по технологии прототипа [3] (способ №5 в табл.1 и 2), диаметр включений составил 25-30 мкм. Графитная фаза в металлической матрице распределена неравномерно, включения наряду со сферической имели компактную и вермикулярную формы. Графитная фаза образцов, прошедших обработку по способу №5, идентична структуре образцов, прошедших обработку по способу №2. В образцах, полученных после двойного модифицирования, полученных по заявляемому способу, (способ №3 и №4), диаметр включений 7-20 мкм, они распределены равномерно и 90% имеют сферическую форму. Структура металлической матрицы в обоих случаях ферритно-перлитная.
Прочностные и пластические свойства образцов, подвергнутых двойному модифицированию по предлагаемому, превысили свойства образцов, прошедших только сфероидизирующее модифицирование, на 20-50%.
Заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получать в отливках из высокопрочного чугуна равномерно распределенную мелкодисперсную графитную фазу, что позволяет повысить уровень механических свойств.
Источники информации
1. Über optimiertes eutektisches GuBeisen als besonders günstigen GuBwerkstoff/ Marincek Borut // Giesserei. 1992. - 79, №19. - с.810-812.
2. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. Вареник П.А. - Киев: Наук. думка, 1986. - с.50-51.
3. Способ получения высокопрочного чугуна. Рушаник Б.А., Кавицкий И.М., Кавицкий С.И. Патент №2188240 РФ. Бюл. №24, 27.08.2002. МКИ С21С 1/10, С22С 37/04. - с.302.