СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА ЧУГУНА
CAST-IRON MELT PROCESSING METHOD

Изобретение относится к области металлургии и может использоваться для повышения свойств чугунных отливок.
Известны способы обработки расплава чугуна, включающие расплавление шихтовых материалов и введение в полученный жидкий чугун азот- и водородсодержащих компонентов продувкой азотом или совместной продувкой азотом и водяным паром [патент РФ №2130081] с целью повышения свойств чугуна.
За прототип выбран способ легирования чугуна азотом, включающий расплавление чугуна в индукционной печи, перегрев расплава чугуна до 1360°C, обработку расплава чугуна карбамидом, с предварительным нагревом карбамида без доступа воздуха до 600-850°C [а.с. СССР №1786088].
Недостатком этого способа являются низкие механические свойства - временное сопротивление и твердость.
Задачей изобретения является повышение свойств чугуна, в частности одновременно твердости, временного сопротивления (предела прочности), удароустойчивости и относительной износостойкости.
Поставленная задача достигается тем, что в способе обработки расплава чугуна, включающем расплавление чугуна в плавильном агрегате, или загрузку жидкого чугуна в плавильный агрегат, перегрев расплава чугуна осуществляется до температур 1460-1560°C, при этих температурах и перемешивании расплава в расплав вводится диамид угольной кислоты (карбамид) в количестве 0,1-0,5% от массы расплава.
В качестве исходного чугуна для такой обработки в плавильном агрегате может использоваться жидкий ваграночный чугун, содержание углерода в котором составляет обычно 2,9-3,3 мас.%. При этом достигается увеличение производительности способа (сокращение затрат электроэнергии и временных затрат на расплавление твердой шихты), и чтобы обеспечить повышенную твердость и износостойкость чугунных отливок, перед обработкой проводится науглероживание чугунного расплава, поступившего в плавильный агрегат с вагранки. Расплав науглероживается при температурах 1460-1560°C до содержаний углерода в чугуне 3,4-4,2 мас.%.
в
Введение диамида угольной кислоты в количестве более 0,5% от массы расплава вызывает появление пористости в чугунных отливках и уменьшает прочность и удароустойчивость отливок. Введение диамида угольной кислоты в количестве менее 0,1% от массы расплава не приводит к необходимому повышению механических свойств. Использование перегрева с температурой расплава менее 1460°C не обеспечивает повышенных механических свойств. Температуру расплава более 1560°C применять не следует ввиду увеличения энергетических и временных затрат (расходуется дополнительное количество электроэнергии и время на остывание расплава перед заливкой), а также ввиду ускоренного износа футеровки печи при повышенных температурах. Исключение операции науглероживания расплава низкоуглеродистого ваграночного чугуна до содержаний углерода 3,4-4,2 мас.% приводит к пониженным значениям твердости и относительной износостойкости чугунных отливок. Содержание углерода в чугуне свыше 4,2 мас.% не обеспечивает уровень прочности чугуна σ более 390 МПа. Отсутствие перемешивания расплава с вовлечением продуктов разложения карбамида внутрь расплава не обеспечивает достаточное усвоение азота (продукты разложения диамида угольной кислоты в большей степени выгорают, не вовлекаясь в расплав).
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Обработка расплава чугуна проводится путем введения диамида угольной кислоты в нагретый до повышенных температур - 1460-1560°C - и перемешиваемый при этом чугунный расплав. Нагреваемый диамид угольной кислоты при 600-850°C термически разлагается на азот, водород и окись углерода [а.с. СССР №1786088]. Перемешивание расплава осуществляется любым технологически возможным путем.
При повышении температуры расплава интенсифицируются диффузионные процессы, и повышается растворимость газов в расплаве (азота и водорода, входящих в состав продуктов разложения карбамида и воздушной атмосферы). Перемешивание чугунного расплава, нагретого до повышенных температур, усиливает эти эффекты. В результате этого происходит увеличение содержания азота в чугуне, повышающего прочностные характеристики чугунных отливок [Леви Л.И. Азот в чугуне для отливок. - М.: Машиностроение, 1964. - 231 с.]. Азот является элементом, который может повышать стабильность карбидов в чугуне. С повышением температуры расплава растворимость азота в чугуне плавно увеличивается [Справочник по чугунному литью. - 3-е изд. перераб. и доп. / Под ред. Н.Г.Гиршовича. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 758 с.]. Элементы внедрения - азот, водород и углерод, могут в той или иной степени вызывать общее повышение механических свойств, располагаясь в кристаллической решетке структурных составляющих чугуна - цементите и феррите.
3
Пример. Расплавление шихтового чугуна и обработку расплава проводили в промышленной индукционной двухтигельной печи с емкостью одного тигля 3 тонны (по чугуну). Диамид угольной кислоты использовался в виде гранул размерами 1-3 мм, плотностью 1,25-1,32 г/см. Контроль температуры расплава чугуна осуществляли термопарой погружения ТВР (вольфрам-рений). Увеличение температуры расплава до 1460-1560°C проводилось за счет повышения мощности индукционной печи. Повышение мощности приводило также к интенсивному перемешиванию чугунного расплава и выпуклости «зеркала» расплава с вовлечением расплавившегося и разложившегося диамида угольной кислоты (на азот, водород и окись углерода) потоками жидкого чугуна в толщу расплава, как показано на рисунке. Расплавившийся карбамид и продукты его разложения частично захватывались потоками жидкого чугуна, причем в большем количестве на участках поверхности расплава возле стенок тигля (футеровки). Потоки перемешивающегося чугуна двигались в тигле включенной (с высокой мощностью) индукционной печи по траекториям (см. рисунок), способствующим выравниванию химического состава металла в объеме ванны и более быстрому растворению элементов, находящихся на поверхности расплава. При этом диффузионные процессы в расплаве в таком перегретом состоянии происходили более активно, чем в малоподвижном расплаве с низкой температурой. Обработка чугуна, перегретого до 1460-1560°C, продуктами разложения карбамида, вовлекаемыми с поверхности расплава чугуна в толщу чугунного расплава приводила к повышению механических свойств.
В одном тигле расплавляли 2 тонны шихтового чугуна с химическим составом в мас.%: углерод - 3,55; кремний - 1,21; марганец - 0,55; фосфор - 0,083; сера - 0,101; железо - остальное. После расплавления чугуна и снятия шлака температуру расплава доводили до 1460°C. При увеличенной мощности печи (около 0,9 МВт), обеспечивающей интенсивное перемешивание расплава, на выпуклое «зеркало» расплава постепенно высыпали гранулы карбамида в количестве 0,3 мас.%, которые быстро скатывались к стенкам тигля (как показано на рисунке) и в областях расплава возле стенок тигля окончательно расплавлялись и разлагались с вовлечением продуктов разложения карбамида в расплав. Частично продукты разложения выгорали. При завершении обработки температура расплава составляла 1560°C.
В другой тигель барабанным ковшом наливали 2 тонны жидкого ваграночного чугуна с химическим составом в мас.%: углерод - 3,2; кремний - 0,8; марганец - 0,5; фосфор - 0,08; сера - 0,1; железо -остальное. Таким образом, вторая плавка представляла собой элемент дуплекс-процесса. С поверхности расплава снимали шлак и температуру расплава доводили до 1460°C. При увеличенной мощности печи, обеспечивающей интенсивное перемешивание расплава, на выпуклое «зеркало» расплава постепенно высыпали науглероживатель до получения в пробах чугуна содержаний углерода 4,15 мас.%, и после этого вводили гранулы карбамида в количестве 0,35 мас.% в условиях перемешивания расплава чугуна. В качестве науглероживателя использовали измельченный электродный бой. При завершении обработки температура расплава составляла 1560°C.
После проведения обработки расплав из каждого тигля охлаждали до 1460°C и заливали в чугунные кокили и в землю. У полученных отливок - шаров диаметром 60 мм и цилиндров диаметром 30 мм, высотой 300 мм определяли механические свойства, износостойкость и содержание азота. Кроме того, проводили металлографический анализ полученных отливок.
Результаты этого и других примеров приведены в таблице.
Как видно из приведенных результатов эффективность данного способа обработки расплава чугуна выше по сравнению с известным способом.
в
За счет предлагаемой обработки расплава чугуна повышаются свойства чугуна, в частности твердость до 523 НВ, временное сопротивление σ до 470 МПа, удароустойчивость до 214-302 ударов, относительная износостойкость в 5-6 раз.
Как известно, графит ухудшает прочностные характеристики сплавов Fe-C [Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.]. Предлагаемая обработка расплава позволяет предотвратить появление графита в чугунных отливках, несмотря на повышенное содержание углерода в этом чугуне - 4,2 мас.%. За счет предлагаемой обработки расплава чугун приобретает ледебуритную структуру без графита, кроме того минимизируются литейные дефекты в чугунных отливках - усадочные раковины уменьшаются в размерах или полностью исчезают.
На рисунке изображена схема электродинамической циркуляции металла в тигле индукционной печи с подачей карбамида (F - электродинамические силы), где:
1 - расплав чугуна, 2 - направления потоков чугуна, 3 - гранулы карбамида, 4 - направление движения карбамида, 5 - зона вовлечения расплавившегося и разложившегося карбамида в чугунный расплав, 6 - зона наиболее интенсивного насыщения расплава продуктами разложившегося карбамида.
Таблица
Обработка расплава чугуна
σ<sub>в</sub>, МПа
НВ
Удароустойчивость (количество ударов до разрушения)<sup>1</sup>
Относительная износостойкость<sup>2</sup>
Содержание азота в чугуне, мас.%
По предлагаемому способу:
включающему расплавление чугуна<sup>3</sup> в индукционной печи, перегрев<sup>4</sup> расплава чугуна до 1460-1560°C с его интенсивным перемешиванием<sup>5</sup> и введение диамида угольной кислоты при этих температурах и перемешивании в количестве от массы расплава чугуна, %:
0,05
366
240
40
1,64
0,0070
0,1
398
458
181
2,02
0,0085
0,3
450
480
302
2,11
0,0150
0,5
505
515
214
2,34
0,0216
0,6
386
512
36
2,30
0,0233
включающему загрузку жидкого ваграночного чугуна в тигель индукционной печи, перегрев этого чугуна до 1460-1560°C с интенсивным перемешиванием<sup>5</sup>, науглероживание до содержания углерода<sup>6</sup> в чугуне 4,0 мас.% и введение диамида угольной кислоты в количестве 0,35% от массы расплава чугуна при этих температурах и перемешивании
470
523
231
2,51
0,0171
По известному способу: включающему расплавление чугуна в индукционной печи, перегрев расплава чугуна<sup>7</sup> до 1360°C и введение диамида угольной кислоты при этих температурах в количестве 0,32% от массы расплава чугуна.
391
241
-
0,38
<sup>1)</sup> Определялась на маятниковом копре (вес бойка - 200 кг, высота падения бойка - 85 мм, энергия удара - 166 Дж, образцы для испытаний - отлитые в кокиль чугунные шары ⌀60 мм).
<sup>2)</sup> За единицу принята износостойкость белого чугуна с химическим составом, мас.%:
С 2,5; Si 1,0; Mn 0,5; S 0,1; P 0,1.
<sup>3)</sup> Химический состав исходного чугуна (усредненный по каждому элементу из нескольких проб), мас.%: С 3,55; Si 1,21; Mn 0,55; S 0,101; P 0,083.
<sup>4)</sup> Введение диамида угольной кислоты в количестве 0,15% при температуре расплава 1450°C приводит к значениям прочности σ<sub>в</sub>=375 МПа, твердости - НВ 235.
<sup>5)</sup> Отсутствие перемешивания не приводит к необходимому усвоению продуктов разложения карбамида и достижению требуемых механических свойств.
<sup>6)</sup> Содержание углерода в чугуне свыше 4,2 мас.% не обеспечивает уровень прочности чугуна σ<sub>в</sub> более 390 МПа.
<sup>7)</sup> Химический состав исходного чугуна, мас.%: С 3,5; Si 2,01; Mn 0,45; S 0,100; P 0,038.