СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЧУГУНА С КОМПАКТНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ГРАФИТА

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения алюминиевого чугуна с компактными формами графита.

Алюминиевые чугуны обладают рядом уникальных специальных свойств и в первую очередь жаростойкостью в сочетании с достаточной прочностью при пониженной плотности. Эти обстоятельства предопределили основную область их применения как жаропрочного материала для работы в агрессивных средах - детали термических печей, агломерационных машин, аппаратов химического оборудования, двигателей внутреннего сгорания, кокилей и др. Наилучший комплекс свойств, обеспечивающий повышенные жаростойкости, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах, износостойкости, проявляется у алюминиевых чугунов, содержащих порядка 16% Al. Это объясняется тем, что при указанном содержании алюминия на поверхности отливок образуется сплошная плотная пленка Al₂O₃.

Однако, такие алюминиевые чугуны не могут претендовать на роль конструкционного материала для отливок из-за повышенных твердости и хрупкости. Указанный недостаток обусловлен структурой алюминиевых чугунов с содержанием Al 9,8-19,7%, несклонных к графитизации: легированный алюминием феррит +Fe₃AlC_x (γ¹-фаза).

Известны мероприятия [Косников Г.А., Суханов А.С. Высокоалюминиевые чугуны промежуточной зоны // Литейное производство. - 1999. - №2. - С.5-6], позволяющие уменьшить негативность указанного недостатка. Они заключаются в том, что в ковш с расплавом алюминиевого чугуна вводят добавки меди и ферросилиция ФС75. Недостатком данного мероприятия является достижение частичной графитизации с получением половинчатого чугуна с низкой прочностью. Другим из той же серии мероприятием является введение в ковш для компактирования графита цериевого мишметалла. Это позволяет повысить прочность алюминиевого чугуна и обеспечить ему удовлетворительную обрабатываемость резанием. Указанные мероприятия имеют недостатки: 1) проведение модифицирующих операций с расходованием дорогостоящих материалов, 2) неполнота процесса графитизации.

Наиболее близким заявляемому способу получения алюминиевого чугуна с компактными включениями графита является способ получения чугуна с компактными включениями графита [Патент РФ №2201967]. Согласно этому способу расплав чугуна вначале подвергается закалке из жидкого состояния путем заливки в металлическую форму, находящуюся в соляной ванне с температурой 750-850°С. Затем производится изотермическая выдержка в течение 0,5-2 часов при температуре 950-1100°С с последующим охлаждением. Указанный регламентируемый температурный режим заливки чугуна в форму и его охлаждения позволяет для чугунов системы Fe-C-Si получить в структуре компактную форму графитных включений без осуществления операции модифицирования.

Сложность регламентируемого температурного режима заливки чугуна системы Fe-C-Si в форму и его охлаждения обусловлена необходимостью зафиксировать после заливки и кристаллизации метастабильную структуру, в которой углерод находится в связанном состоянии. Последующая изотермическая выдержка приводит к распаду метастабильной структуры с образование графита компактной формы.

В заявляемом способе получения алюминиевого чугуна с компактными включениями графита регламентируемый температурный режим заливки чугуна в форму и его охлаждения упрощается. Этот режим состоит в заливке расплава алюминиевого чугуна в металлическую форму, находящуюся в соляной ванне при температуре 950-1100°С, и изотермической выдержке закристаллизовавшейся отливке при этой же температуре в течение 0,5-2 часов. Данный упрощенный регламентированный температурный режим заливки чугуна в форму и его охлаждения обусловлен тем, что, ввиду отсутствия склонности алюминиевых чугунов, содержащих Al 9,8-19,7%, к графитизации, нет необходимости предпринимать мероприятия по организации метастабильной кристаллизации. Достаточным условием компактной графитизации является изотермическая выдержка закристаллизовавшейся отливки при температуре 950-1100°С в течение 0,5-2 часов. Такая высокая скорость процесса обусловлена закаленным состоянием чугуна, полученным при заливке в форму в условиях высокой тепловой активности.

Верхний температурный предел (1100°С) изотермической выдержки закристаллизовавшейся отливки обусловлен нежелательностью протекания фазовых превращений. Нижний предел (950°С) ограничен существенным замедлением процесс графитизации.

Временной интервал (0,5-2 часа) изотермической выдержки закристаллизовавшейся отливки обусловлен следующими обстоятельствами. При увеличении времени выдержки свыше 2 ч скорость графитизации уменьшается до таких пределов, при которых получаемый технолого-экономический эффект становится не значимым. При выдержке менее 0,5 ч в структуре чугуна наблюдается большое количество Fe₃AlC_x (γ¹-фаза), наличие которой влечет за собой повышение твердости и хрупкости отливки.

Пример конкретного выполнения заявляемого способа получения алюминиевого чугуна с компактными включениями графита.

Расплав алюминиевого чугуна получали в индукционной печи с основной футеровкой с использованием покровного шлака, составленного из CaF₂, Na₃AlP₆, СаСО₃, древесного угля. Алюминий вводили под зеркало расплава. Перегретый до 1530°С чугун заливали в форму, размещенную в соляной ванне, составленную из расплава солей NaCl и BaCl в равном молярном соотношении. Соляная ванна имела температуру 1080°С. Состав чугуна, определенный спектральным методом, характеризовался следующими данными по концентрации примесей, % (масс.): Al - 15,8; Si - 0,33; С - 2,2. Время изотермической выдержки отливки при указанной температуре - 1 час 30 мин.

В результате исследования структуры чугуна наблюдалось следующее. Металлическая матрица представлена ферритом, имеющим твердость 370 HV. Графитовые включения распределены равномерно, имеют компактную форму, размер 15-20 мкм.