СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Изобретение относится к литейному производству и металлургии, в частности к способам получения высокопрочного чугуна, и может быть использовано при массовом производстве отливок из высокопрочного чугуна с графитом вермикулярной и шаровидной формы.

Одним из способов получения чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом является использование лигатуры, содержащей 30% редкоземельных металлов (РЗМ), 43% кремния, 8% алюминия. В зависимости от содержания серы количество вводимой лигатуры колеблется от 0,8 до 2,5% (см. кн. "Высокопрочные чугуны для отливок". / Под ред. д.т.н. Александрова Н.Н..- М.: Машиностроение, 1982 г., с. 193).

Когда остаточное содержание РЗМ в сплаве значительно превышает его оптимальную концентрацию, равную 0,05-0,06%, происходит эффект перемодифицирования, заключающийся в том, что металлическая матрица отливок состоит из ледебурита или же структурно-свободного цементита, а часть графита имеет звездообразную форму. Оба эти фактора не позволяют чугуну в литом состоянии иметь механические свойства, соответствующие маркам высокопрочного чугуна. Достижение требуемых свойств в таких чугунах осуществляется путем термической обработки. Для улучшения механических свойств в литом состоянии проводят вторичное модифицирование 75% ферросилицием в количестве 0,5-0,8% от массы жидкого металла. Недостатком этого процесса является перенасыщение феррита матрицы кремнием и увеличение в структуре количества графита звездообразной формы, что не позволяет производить чугун с высокими механическими свойствами.

Другим способом, устраняющим эффект модифицирования, является способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, включающий предварительное перемодифицирование расплава исходного чугуна лигатурой, содержащей 30% РЗМ, 43% кремния, 8% алюминия, остальное - железо, и вторичное модифицирование в разливочном ковше той же лигатурой (см. описания к патентам РФ N 2156810, N 2156809, МПК⁷ С 22 С 37/04, опубл. 20.11.2000 г. ). Производственный технологический процесс по вышеуказанным патентам устойчив при наличии стабильного состава лигатуры с содержанием РЗМ 30-35% и кремния свыше 40%.

Выпускаемая в РФ лигатура с редкоземельными металлами на железокремниевой основе поставляется по ТУ 14-5-136-81. Согласно ТУ для марки ФС30РЗМ30 сумма РЗМ должна быть в пределах 30-40%, кремний 30-40%, алюминий для класса А 2-5%, для класса Б 5-15%, магний до 1,5%, медь до 2,5%, кальций 0,5-6%. Кроме того, в изменении N1 от 01.07.82 г. к ТУ 14-5-136-81 оговорено, что "повышение концентрации РЗМ в лигатуре всех марок выше верхнего предела и снижение концентрации кремния ниже нижнего предела не является браковочным признаком".

Предусмотренный разработчиками ТУ большой разброс по содержанию основных химических элементов создает технологические сложности при использовании этой лигатуры для производства высокопрочного чугуна, так как с уменьшением содержания кремния менее 30% лигатура плохо растворяется в расплаве, а при вторичном модифицировании в разливочном ковше, где температура жидкого чугуна 1350^oС, почти полностью всплывает и удаляется вместе со шлаком.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение стабильности процесса получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение управляемости технологическим процессом, уменьшение зависимости от нестабильности состава лигатуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна, включающем расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры расплава 1420-1480^oС, первоначальное модифицирование его лигатурой, содержащей редкоземельные металлы кремний, и вторичные модифицирование, первоначальное модифицирование проводят до появления эффекта перемодифицирования чугуна, вторичное модифицирование проводят лигатурой, содержащей редкоземельные металлы, магний и кремний, в количестве 0,1-1,2% от массы металла при температуре расплава 1300-1400^oС.

Первоначальное модифицирование проводят лигатурой, содержащей 8-40% редкоземельных металлов, 20-60% кремния, 0,1-15% алюминия, 0,5-6% кальция, 0,1-3% магния, 0,1-2,5% меди, в количестве 0,6-2,5% от массы расплава.

Способ реализуется следующим образом. Чугун плавили в шеститонной индукционной печи и перегревали до температуры 1450-1480^oС. Состав исходного чугуна колебался в следующих пределах: С - 3,4-3,8%; Si -1,85-2,1%; Mn - 0,5-0,8%; S - 0,06-09%; Cr - 0,09-0,22%. Состав лигатуры приведен в табл.1.

Лигатуры 1, 2, 3 были отобраны от трех различных партий поставки и, как следует из таблицы 1, имеют большой разброс по химическому составу. Поэтому для каждой партии потребовалось определить оптимальное процентное содержание ввода лигатуры в расплав при первичном модифицировании. Под оптимальным содержанием понимается такое количество лигатуры, при вводе которого происходит отбел чугуна после первичного модифицирования.

Для определения количества лигатуры барабанный раздаточный ковш емкостью 1500 кг, подвешенный на динамометрических весах, заполняли одной тонной жидкого металла; на желоб вводили 25 кг лигатуры.

Образовавшийся шлак сливали и металлом из раздаточного ковша заливали призматические образцы размером 10•15•60 мм. После затвердевания металла и охлаждения образцы анализировали на излом. При получении излома, характерного для белого чугуна, в ковш доливали 100 кг металла из печи, определяли излом и повторяли операцию по доливу металла из печи в ковш до получения излома, характерного для чугуна с вермикулярным графитом.

Оптимальное количество вводимой при первоначальном модифицировании лигатуры данной партии поставки определяли по формуле:
L=25•100/G₁(%), (1)
где L - количество лигатуры, (маc. %);
G₁ - масса металла (кг) в ковше, предыдущем наступлению излома, характерного для чугуна с вермикулярным графитом.

Определив процентное оптимальное количество лигатуры, брали навеску исходя из емкости ковша 1500 кг и вводили ее на желоб печи при заполнении раздаточного ковша. Образовавшийся в ковше шлак снимали и подавали барабанный раздаточный ковш на стенд для заполнения разливочных ковшей.

Вторичное модифицирование проводили в разливочном ковше емкостью 100 кг, помещая лигатуру на дно ковша и покрывая ее чугунной стружкой. Отливали детали типа "корпус" и "серьга" весом от 700 г до 1800 г, с толщиной стенки от 4 до 40 мм и стандартные разрывные образцы диаметром 20 мм. Заливку производили в земляные формы. Температура металла при заливке форм составляла 1300-1400^oС.

Металлографические исследования проводили на деталях, механические испытания - на образцах.

В табл.2 представлены результаты экспериментальных плавок по прототипу - патент РФ 2156809 (варианты 1-5) и по предлагаемому способу (варианты 6-14). Требуемый результат по прототипу достигнут только в варианте 1, где использовалась лигатура с высоким содержанием кремния, которая хорошо растворяется в расплаве. В остальных вариантах (2-5) эффект перемодифицирования не устранен вследствие плохого растворения лигатуры в расплаве при температуре 1300-1400^oС.

При вторичном модифицировании лигатурой, содержащей РЗМ, Mg и кремний более 40%, растворяющейся при температуре 1280^oС, эффект перемодифицирования устраняется (варианты 6-14).

Использование предлагаемого способа получения высокопрочного чугуна обеспечивает повышение стабильности процесса и снижение себестоимости за счет применения для вторичного модифицирования более дешевых лигатур, а также уменьшение брака отливок по несоответствию требуемой марке чугуна.