Модификатор

 

МОДИФИЛ(АТОР для высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, содержащий магний, редкоземельные металлы, кальций, марганец, алюминий, медь, никель, железо и кремний, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичночти , ударной вязкости при пониженных температурах, трещиноустойчивости и усталостной прочности, он дополнительно содержит титан, цирконий, бор и цинк при следующем соотношении элементов, мас.%: Магний 3,0-9,0 Редкоземельные 0,5-4,0 металлы Кальций 0,3-1,5 Марганец 0,1-2,0 Алюминий 0,5-2,0 4,0-10,0 Медь 4,0-10,0 Никель 0,5-1,0 Титан (Л 1,0-5,0 Цирконий 0,005 -0,06 Бор 0,05-0,5 Цинк 20-35 Железо Кремний Остальное

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(ю С 22 35/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3588911/22 — 02 (22) 10.05.83 (46) 07.08.84. Бкп. № 29 (72) Я.Е. Гольдштейн, С.Н. Чуватина, А.С. Дубровин, И.С. Быстрова, Л.В. Сергеева, В.A. Гольдштейн, Е.М. Офицеров, В.П. Чевардов и В.И. Канторович (71) Научно-исследовательский институт металлургии и Чебоксарский завод промышленных тракторов (53) 669. 13-198 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 559990, кл. С 22 С 35/00, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

N- 789622, кл. С 22 С 35/00, 1979. (54) (57) МОДИФИКАТОР для высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, содержащий магний, редкоземельные металлы, кальций, марганец, алюминий, медь, никель, железо и кремний, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичночти, ударной вязкости при пониженных температурах, трещиноустойчивости и усталостной прочности, он дополнительно содержит титан, цирконий, бор и цинк при следующем соотношении элементов, мас.Ж;

Магний 3,0-9,0

Редкоземельные металлы 0 5-4,0

Кальций 0,3-1,5

Марганец О, 1-2,0

Алюминий 0 5-2,0

Медь 4,0-10 0

Никель 4,0-10,0

Титан 0,5-1,0

Цирконий 1,0-5,0

Бор 0,005 -0,06

Цинк 0,05-0 5

Железо 20-35

Кремний Остальное

1106845

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам модификаторов для производства высокопрочного чугуна.

Известен модификатор для высокопрочного чугуна (1)следующего состава, мас.%:

Магний 5-1Р

Кальций 5-15

Железо 1-15

РЗМ 2-10

Никель 10-20

Марганец I 0-2О

Углерод 0,5-6,0

Барий 3-15 15

Медь 10-20

Кремний Остальное

Недостатком такого комплексного модификатора является высокое содержание суммы щелочноземельных металлов (кальция и бария), поэтому он плохо усваивается расплавом и требует дополнительного введения флюса во избежание ошлаковывания поверхности частиц модификатора и заторма- 25 живания (или прекращения) реакции взаимодействия модификатора с расплавом. Кроме того, медь, никель и марганец в количествах 10-.20% каждого ухудшают дробимость модификатора, à gp также способствуют стабилизации перлитной составляющей металлической матрицы, что снижает пластические свойства чугуна и требует проведения дополнительной термической обработки отливок.

Высокое содержание углерода в модификаторе, значительно превышающее предел растворимости его в сплаве, в значительной степени усложняет 40 изготовление модификатора и делает нестабильным его состав.

Однако чугун, обработанный известным модификатором, характеризуется низкими пластическими и вязкими свойствами при работе в условиях отрицательных температур, а также склонностью к деформации отливок и образованию трещин. Высокое содержание алюминия (до 8%) не только ухудшает форму графита, но и может приводить к образованию в отливках сетовидной пористости. Введение в состав модификатора вольфрама удорожает его стоимость, практически не изменяя формообразования графита.

Целью изобретения является ловы" шение пластичности, ударной вязкости при пониженных температурах, трещиноустойчивости и усталостной прочности

Поставленная цель достигается тем, что модификатор для высокопрочного чугуна с шаровидной формой гра" фита, содержащий магний, редкоземельные металлы, кальций, марганец, алюминий, никель, железо и кремний, дополнительно содержит титан, цирконий, бор и цинк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 3,0-9,0

Редкоземельные металлы 0,5-4,0

Кальций 0,3-1,5

Марганец 0,1-2,0

Алюминий 0 5-2,0

Никель 4,0-10,0

Медь 4, 0-10, О

Цирконий О, 1-5,0

Титан 05-1 0

Бор 0,005-0,96

Цинк 0,05-0,5

Железо 20,0-35,0

Кремний Остал ь но е

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является модификатор 2 )

45 следующего состава, мас.%:

Магний 5,0-10, О

Кальций 0,2-2,4

РЗМ О, 1-5,0

Барий 0 5-3,0

Медь 0,1-1, О

Никель О, 1-3,0

Марганец 0,1 — 1,0

Углерод 0,2-2,0

Алюминий 0,2-8,0

Вольфрам 0,01-2 8

Кр емкий 45 0 -70,0

Железо Остальное

Совместное введение титана, циркония и бора обеспечивает прочную связь азота, растворимого в чугуне, в стойкие нитриды, которые служат зародышевой фазой для выделения графита и образование инокулирующей тугоплавкой зародышевой фазы диборида титана (Ti82) и диборида циркония (ZrB> ), которая позволяет получить ультрамелкое ферритное зерно в матрице. Это, в свою очередь, обеспечивает сохранение пластических и вязких свойств чугуна в условиях работы при отрицательных температурах и снижает склонность к образованию трещин и деформации отли1106845

25 з вок. Нижние пределы по содержанию титана, циркония и бора (0,5, 0,1 и 0,0057 соответственно) обусловлены проявлением их эффекта, а верхние (1,0; 5,0 и 0,5Х соответственно) ограничены воэможностью стабилизации карбидной фазы. Алюминий в составе модификатора в количестве 0,52,07. с<1вместно с кальцием и Р3М способствует раскислению чугуна и из- 10 мельчению графитовых включений, что приводит к стабилизации процесса модифицирования, Содержание алюминия свыше 27 может вызвать образование сетовидной пористости и отрицательно влияет на степень измельчения графита, а при содержании алюминия менее 0 5Х диспергирующий эффект его не проявляетСЯ е 20

Цинк повышает степень усвоения магния при модифицировании, позволяет снижать его содержание в модификаторе и тем самым значительно уменьшает пироэффект. Содержание цинка в модификаторе свыше 0,57 ухудшает экологические условия на литейном участке, а при содержании менее

0,057 эффект его влияния не проявля1 ется. Совместное введение в состав З0 модификатора никеля и меди обеспечивает высокую степень растворимости магния и кальция и более однородное распределение этих элементов в составе модификатора при лучшем их ус35 воении жидким металлом. Кроме того, введение в чугун меди и никеля повышает пластические свойства последнего за счет улучшения формы и уменьшения размера графита.

При содержании меди и никеля в модификаторе менее 47 каждого, их влияние на свойства чугуна незаметно, а превышение 10Х каждого приводит к перлитизации металлической матрицы, что отрицательно влияет на пластические свойства чугуна.

Резкоземельные металлы связывают примеси деглобуляризирующих элементов, таких как сурьма, висмут, оло50 во, свинец, теллур и др. в инертные соединения (интерметаллиды) .

Содержание РЗМ 0,57. — минимально необходимое для связывания этих элементов, а верхний предел (4Х) установлен из экономических соображений, чтобы не удорожать стоимость модификатора и не усилить его карбидостабилизирующее влияние.

Предлагаемый модификатор выплавлялся в индукционной печи ИСТ вЂ” 0,5 с графитовым тиглем методом сплавления составлякщих шихты.

Содержание марганца и цинка в модификаторе регулируется использованием при выплавке чушкового магния различных марок, содержание алюминия определяется использованием ферросилиция марки ФС65 и ФС45.

Для исследования влияния предлагаемого модификатора на увеличение количества графита шаровидной формы, уменьшение размера графитовых включений, а также на повышение пластических и вязких свойств чугуна при отрицательных температурах и понижение склонности к трещинообразованию и деформации в отливках были проведены плавки чугуна в электропечи с обработкой известным и предлагаемыми модификаторами. Химический состав чугуна был следующим, мас.Х:

Углерод 3,37-3,43

Кремний 2,6-2,9

Марганец 0,28-0,38

Сера О, 041-0,047

Фосфор 0,06-0,07

Количество вводимого модификатора в ковш емкостью 300 кг — 6 кг, что составляет 27 от веса жидкого о металла. Температура металла 1450 С.

Составы известного и предлагаемык модификаторов, использованных при проведении экспериментов, приведены в табл. 1.

Для исследования структуры и механических свойств модифицированного чугуна были отобраны трефовидные пробы и отливки с толщиной стенок от 5 до 40 мм. Одновременно заливали опытные пробы для сравнения трещиноустойчивости отливок, которую оценивали по общей плотности горячих трещин, возникающих в термическом узле, Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-61 на цилиндрических образцах диаметром 10 мм и расчетной длиной 50 мм.

Ударную вязкость испытывали на обо разцах без надреза при 40 С. Износ образцов определяли при возвратнопоступательном движении на машине трения ИИ-1 по стандартной методике при длительности эксперимента 8 ч и пути трения 12800 м.

106845

Таблица 1

Состав модификатора, % ! l 1 1 1 1 1

Модификатор

Mg Са РЗМ Ва Cu Ni Mn С

Известный

Предлагаемый

1,5

7,2 1,3 2,8 1,7 0,3 1 5 0,4

3,0 3,0 0,1

40 40 01

7,5 7,5 1,0

10,0 10,0 2,0

10,0 10, 2 2,5

2,5 0,5 1,0

3,0 0,3 0,5

4 0 1 0 2 0

9,0 1 5 4,0

9,5 1,2 4,5

Продолжение табл, 1

Состав модификатора, Ре Т Zr В

Модификатор

AI Ч Si Zn

Известный

2,1 50,5 Остальное

Предлагаемый

0,7 — Осталь- 35,0 0,2 0,7 0,001 0,02 ное

5 1

Определение усталостной прочности проводили в соответствии с

ГОСТ 2860-65 на машине МУИ 6000 с частотой 100 Гц.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 2, являются средними из 10 образцов.

Металлографический анализ микроструктуры показал, что в отливках, обработанных известным модификатором, число включений шаровидного графита меньше и они крупнее, чем в чугуне, обработанном предлагаемым модификатором. Матрица чугуна, обработанного известным модификатором, состоит из феррита с 15-20 перлита, величина зерна феррита

4-5 баллов шйалы ГОСТ 5639-65 в то время, как при использовании предлагаемого модификатора матрица чугуна полностью ферритная с ультрамелким зерном 7-8 балла. Мелкодйсперсные глобулы в сочетании с такой матрицей обеспечивают высокие пластические свойства, ударную вязкость при отрицательных температурах, повышают усталостную прочность чугуна, износоустойчивость и трещиноустойчивость отливок. Чугун, обработанный модификатором состава 2 и 6, выходящих по содержанию большинства элементов за пределы предлагаемого, имеет свойства значительно ниже, чем

3-5 составов.

1О Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого модификатора по сравнению с базовой никельмагниевой лигатурой по техническим условиям 48-21-5013-72, применяе15 мой для производства отливок иэ высокопрочно1о чугуна с шаровидным графитом, определяется прежде всего снижением брака по механическим свойствам, трещинам и деформации в отлив20 ках в 2-3 раза а также снижением стоимости модификатора.

Годовой экономический эффект от использования изобретения по сравнению базовым объектом составит

25 662 тыс. руб, !!06845

Продолжение табл. 1

Состав модификатора, 7.

W Si Fe Ti

Модификатор

Л1 Zr В Zn

0,5 35,0 0,5 1,0 0,005 0,05

1,0 — -"- 28,0 0,62 2,5 0,02 0,20

20 — -"- 200 10 50 005 05

20,0 1,5 6,0 0,08 О, 7

2,5

Таблица 2

Механические свойства модифицированного чугуна

Модификатор

ПовышеВеличина

УсталостРазмер сферои дов, мк исло феродов ние тре щиноустойчизерна ферри та, баллы ная

Относительное

Твердость, НВ

Предел прочности

МПа

Удар ная вязпроча мм вости

z ность, МПа удлинение, 7. кость при

-40 С, Дж/см 2

Известныйй

1 540 9,1

180 1,0

Предлагаемый

5 2 180

7 7 21 0

56 207 0,98 202 36

105 221 i, 17 268 30

102 225 1,23 290 28

98 221 1,48 270 26

52 203 1,50 195 35

7 10 21,5

7 10 22,0

5 3 11,0

Составитель Н. Шепитько

Техред T.Äóáèí÷àê Корректор Д. Мельниченко

Редактор Г. Волкова

Заказ 5726/20 Тираж 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

2 542 9 3

3 567 12 2

4 583 11,0

5 587 10,4

6 600 8,0

Относительная износостойкость

183 38 45 - 14 0