ЛИГАТУРА ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
LIGATURE FOR MODIFICATION OF HIGH-STRENGTH CAST IRONS, METHOD OF ITS RECEIVING AND USAGE

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии выплавки магнийсодержащих лигатур, используемых для получения высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, применяемых для изготовления деталей повышенной твердости, например, коленчатых валов автомобилей и других изделий.
Известны многокомпонентные лигатуры, содержащие, например, магний, кальций, кремний, редкоземельные металлы, медь, алюминий, железо, никель, церий, цирконий, барий и др.
Способы получения известных лигатур включают загрузку в печь шихты, ее нагрев и плавление при различных температурах от 600°С до 1000°С с последовательным добавлением отдельных компонентов и флюсов.
Способы использования известных лигатур традиционны и заключаются в введении заранее полученной лигатуры в расплавленный чугун.
[См., например, а.с. СССР №834185, МПК С22С 35/00, опубл. 30.05.1981; а.с. СССР №933775, опубл. 07.06.1982; а.с. СССР №1461022, опубл. 10.04.1996; п. РФ №2040575, опубл. 25.07.1995; п. РФ №2135620, опубл. 27.08.1999; п. РФ №2195502, опубл. 27.12.2002; п. РФ №2196186, опубл. 10.01.2003 и др.]
Хотя известные лигатуры и обеспечивают достаточно высокие механические свойства чугунов с шаровидным графитом, однако, получение этих лигатур затруднено их многокомпонентностью, неравномерным распределением компонентов в лигатуре и экономически неоправданно.
Кроме того, использование указанных лигатур имеет технологические недостатки, обусловленные высокой газовой пористостью лигатуры, приводящей к сложности ввода в чугун с потерей компонентов лигатуры при дымовыделении и пироэффекте, с одновременным повышением склонности чугунов к отбелу, образованию черных пятен, наличию цементита и т.п.
Изготавливаемые из такого чугуна отливки обладают низкими эксплуатационными характеристиками (например, твердостью и износостойкостью) из-за нежелательных структурных изменений.
Известна также промышленно освоенная лигатура, содержащая 14-17% магния, 0,4-0,6% церия, остальное - никель и примеси.
Способ поучения лигатуры-аналога традиционный и заключается в плавлении магния с последующим введением остальных компонентов и флюсов.
Способ использования данной лигатуры включает ее предварительное фрагментирование до размера частиц 0,5-4,0 мм с последующим введением в расплавленный чугун (или в стали специального назначения).
[См. п. РФ №2270226, МПК С22С 35/00, опубл. 20.02.2006; ТУ 14-2Р-33 8-2000]
Промышленно освоенная лигатура позволяет изготавливать чугуны с высокой прочностью, но дефицит и высокая стоимость основы лигатуры - никеля требуют его замены на более доступные и дешевые компоненты.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является лигатура на магний-медной основе, содержащая церий. Причем количество церия составляет 0,1-1,0 мас.%, а лигатура содержит также ферросицилий.
Способ получения лигатуры-прототипа состоит в загрузке шихты, содержащей металлический магний, на дно тигля индукционной печи, нагрев и плавление с добавлением флюса и последующим введением остальных компонентов, причем медь вводят порционно. Процесс ведут при температуре 700-1000°С. После расплавления магния вводят церий, затем - медь, после чего добавляют ферросицилий. В процессе плавки используют покровный флюс ВИ2.
Способ использования лигатуры-прототипа для модифицирования чугунов широко известен и заключается в ее дроблении с последующим введением в расплавленный чугун.
[См. п. РФ №2024642, МПК С22С 35/00, опубл. 15.12.1994]
Недостатки прототипа заключаются в:
- сильном пироэффекте;
- низкой степени усвоения магния и церия, ухудшающей такие свойства модифицируемых чугунов как твердость и износостойкость;
- высоких энергозатратах и стоимости компонентов.
Задачей настоящего изобретения является повышение твердости и износостойкости модифицируемых чугунов, а также удешевление компонентов лигатуры и сокращение затрат на ее получение.
Поставленная задача решается тем, что лигатура содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
магний
17,0-20,0
церий
0,4-0,6
медь
остальное.
В известном способе получения лигатуры, включающем загрузку шихты, содержащей металлический магний, на дно тигля индукционной печи, нагрев и плавление с добавлением, покровного флюса и последующим введением остальных компонентов, причем медь вводят порционно, согласно изобретению в качестве покровного флюса используют порошкообразный бариевый флюс, который загружают на магний, медь вводят порционно: первоначально 60-70 вес.% от ее общего количества, а затем - по 10 вес.% по мере расплавления компонентов с добавлением флюса для сохранения покрова расплава; процесс ведут при температуре 725-800°С, выбранной по диаграмме состояния для двухкомпонентной системы Mg-Cu, в течение 40-60 мин с завершающим наведением слоя рафинирующего флюса толщиной 1-2 см и введением церия при объемном глубинном перемешивании получаемой лигатуры.
В способе модифицирования высокопрочных чугунов с использованием лигатуры состава по п.1, полученной способом по п.2, в котором лигатуру дробят на куски 2-4 кг, после чего вводят в чугун в количестве 0,65-0,85 вес.% от массы чугуна.
Все объекты предлагаемого изобретения объединены единым изобретательским замыслом и обеспечивают решение поставленной задачи. А именно:
- компоненты лигатуры способствуют повышению твердости и износостойкости легируемых чугунов (медь - тяжелый металл повышает плотность лигатуры и склонность чугунов к перелитизации; магний усиливает эффект сфероидизации графита, способствует удалению неметаллических включений из чугуна и равномерности распределения компонентов лигатуры по всему объему; церий приводит к образованию графита в чугуне правильной формы);
- заявляемый уровень химических компонентов лигатуры способствует выравниванию фазового и структурного состава легирующего материала, уменьшению его потерь при получении (за счет технологичности материала) и угара химических элементов при использовании ее для легирования чугуна, а также способствует сохранению физических и гранулометрических характеристик (размер, плотность, твердость и т.д.);
- условия получения лигатуры усиливают устойчивость расплава от возгорания, предотвращают перегревы и возникновение пироэффекта, а также способствуют образованию однородной по всему объему лигатуры;
- условия использования приводят к улучшению структуры чугуна, однородности распределения легирующих компонентов, повышению степени усвоения лигатур, при этом образующаяся ферритная структура и компактная форма шаровидного графита повышают твердость и износостойкость чугунов;
- процессы получения и использования лигатуры стабильны и безопасны, не сопровождаются пироэффектами;
- при модифицировании чугунов предотвращается угар из-за применения лигатуры, содержащей утяжеляющий металл - медь (при использовании куски лигатуры тонут в расплаве чугуна);
- за счет снижения затрат на энергоносители и уменьшения стоимости используемых компонентов возникает высокий экономический эффект.
Сопоставительный анализ заявляемых и известных объектов показывает, что предлагаемая композиция лигатуры характеризуется совокупностью существенных признаков, а именно отличием качественного и количественного содержания ингредиентов, при этом условия способов ее получения и использования не известны из уровня исследуемой техники, но достаточны для достижения поставленной задачи и обеспечения технического результата. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Анализ патентной и научно-технической информации не выявил использования совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое решение, в известных объектах по их функциональному назначению для решения поставленной задачи. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Возможность получения и использования лигатуры заявляемого качественного и количественного состава на отечественных предприятиях металлургической промышленности с применением стандартного, не требующего модернизации, оборудования свидетельствует о соответствии предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».
Заявляемая лигатура получена предлагаемым способом в условиях металлургического предприятия Уральского региона.
Для получения лигатуры использовали следующие материалы:
- медь катодная марок М0, M1 (ГОСТ 859-2001) или качественные привозные отходы и лом меди (ГОСТ 1639), незагрязненные маслом и посторонними предметами, класс А, группа 1, сорт 1;
- магний марок МГ90, МГ95 (ГОСТ 804-93);
- церий марки ЦеЭ-0 (ТУ 48-4-529-90);
- флюс бариевый, изготовленный на ОАО «Соликамский магниевый завод» (сертификат качества №867, ТУ 1714-028-00545484-2004).
Пример 1. Получение лигатуры Cu-Mg-Ce.
На дно тигля индукционной печи загружали шихту, содержащую магний, в количестве 17,0 мас.% (28,6 кг), покрывали ее слоем порошкообразного бариевого флюса в количестве 2,5 кг, нагревали и плавили. При расплавлении магния вводили медь в количестве 82,6 мас.% (138,7 кг). Причем медь вводили порционно: первоначально 70 вес.% (97,0 кг) от ее общего количества, а затем - по 10 вес.% (13,9 кг) еще три раза по мере расплавления компонентов с добавлением флюса для сохранения покрова расплава. Процесс вели при температуре 725-800°С, выбранной по диаграмме состояния для двухкомпонентной системы Mg-Cu в течение 40 минут с завершающим наведением слоя рафинирующего флюса толщиной 1,5 см. В этот же момент вводили церий в количестве 0,4 мас.% (0,7 кг) с одновременным глубинным перемешиванием получаемой лигатуры (общий вес компонентов лигатуры составил 168 кг). После расплавления всех компонентов снимали шлак с полученной лигатуры, брали пробу для определения ее химического состава и осуществляли разливку изготовленного сплава в изложницы для остывания.
Анализ химического состава лигатуры выполняли по стандартизованным методикам по ГОСТ Р 8.563-96. Содержание церия определяли по методике НДП MX 78-200 (разработчик ГНЦ РФ ОАО «УИМ», г.Екатеринбург), причем химический состав полученной лигатуры соответствовал ТУ 1733-006-26279873-2007, разработанным заявителем.
В условиях примера 1 осуществляли получение лигатуры в примерах 2 и 3 с варьированием соотношения компонентов и параметров процесса в заявляемых пределах. А именно:
- в примере 2 - соотношение компонентов, мас.%:
магний
18,0 (30,2 кг)
церий
0,5 (0,8 кг)
медь
81,5 (137,3 кг),
время плавления 50 минут;
- в примере 3 - соотношение компонентов, мас.%:
магний
20,0 (33,6 кг)
церий
0,6 (1,0 кг)
медь
79,4 (133,4 кг),
время плавления 60 минут.
Лигатуру, полученную в примерах 1-3, использовали для модифицирования чугунов.
Испытания проводили на АО «АвтоВАЗ» (г.Тольятти) по программе №3258/6-233-2007 для сфероидизирующего модифицирования высокопрочного чугуна марки Gh75-50-03 для производства отливок «Вал коленчатый».
Способ использования заявляемой лигатуры включал ее дробление до фракции 2-4 кг с последующим введением в расплавленный чугун в количестве 0,65 вес.% (8,0 кг на 1200 кг чугуна) или 0,75 вес.% (9,0 кг на 1200 кг чугуна), или 0,85 вес.% (10,0 кг на 1200 кг чугуна).
Затем образцы отливок модифицированных чугунов анализировали по стандартным методикам:
- металлографический анализ выполнен с помощью металлографического микроскопа UNIMET 8585, ф. Бюллер;
- замеры твердости по Бринеллю производили на твердометре ТБ 5006 (ГОСТ 9012-59);
- механические свойства определяли на разрывной машине AMSLER 20ZBDA (ГОСТ 1497-84);
- химический анализ проводили на спектроанализаторе Quantovak ARL-2460 и газоанализаторе Leko CS-400;
- износостойкость определяли по скорости потери массы испытуемого образца при трении в паре с закаленным диском (Ст 45).
Результаты испытаний оказались идентичными для всех количеств лигатуры, введенной в чугун.
Составы лигатур и результаты испытаний легированных чугунов в сравнении с известным промышленно освоенным аналогом [См. п. РФ №2270226, МПК С22С 35/00, опубл. 20.02.2006; ТУ 14-2Р-33 8-2000] и прототипом [См. п. РФ №2024642, МПК С22С 35/00, опубл. 15.12.1994] представлены в таблице.
Как видно из приведенных примеров и данных таблицы, применение заявляемой лигатуры, предлагаемых способов ее получения и использования по сравнению с известными объектами того же назначения - промышленно освоенным аналогом [См. п. РФ №2270226, МПК С22С 35/00, опубл.20.02.2006; ТУ 14-2Р-33 8-2000] и прототипом [См. п. РФ №2024642, МПК С22С 35/00, опубл. 15.12.1994] обеспечивают следующий технический и народно-хозяйственный эффект:
- получение однородных по всему объему лигатур;
- улучшение структуры чугунов, однородности распределения легирующих компонентов при повышенной степени усвоения лигатур;
- повышение твердости и износостойкости чугуна за счет образующейся ферритной структуры и компактной шаровидной формы графита;
- стабильность и безопасность процессов получения и использования;
- снижение затрат на энергоносители (в частности, электрозатрат за счет понижения температуры при получении лигатуры);
- уменьшение стоимости используемых компонентов, дающее высокий экономический эффект (например, за счет замены никеля на медь экономический эффект составит 292 млн руб./год только на АО «АвтоВАЗ» - по данным справки заявителя №099 от 23.04.2007).