Модификатор

Модификатор относится к металлургии, литейному производству и машиностроению и может быть использован при производстве отливок из серого доэвтектического чугуна, работающих в условиях повышенного износа, например вагонных тормозных колодок, крупных зубчатых колес, деталей брашпиля, цилиндровой гильзы. В качестве цирконийсодержащей добавки используют двуокись циркония , а в качестве кремнийсодержащий добавки - двуокись кремния . Компоненты выбраны при следующем соотношении, мас.%: SiO₂ - 35-45; ZrO₂ - 35-45; Al - 10-20. Модификатор вводят в количестве 0,02% от веса серого чугуна в ковше. Изобретение позволяет повысить износостойкость отливок из серого доэвтектического чугуна в 1,3 раза, работающих в условиях интенсивного износа, при сохранении высокого уровня предела прочности и стрелы прогиба, а также при обеспечении ограниченной твердости за счет уменьшения удельного объема расплава серого чугуна при заливке и резкого уменьшения объемной усадки. 4 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, литейному производству и машиностроению и может быть использовано при производстве отливок серого - доэвтектического чугуна, работающих в условиях повышенного износа, например вагонных тормозных колодок, крупных зубчатых колес, деталей брашпиля, цилиндровой гильзы (наряду с РЗМ) и т.д.

Использование известных модификаторов позволяет получать серый чугун с повышенными механическими характеристиками (пределом прочности, стрелой прогиба и износостойкостью), что, в основном, достигается за счет измельчения графита цирконием.

Однако в ряде случаев, при изготовлении деталей, подвергающихся интенсивному износу, требуется особое сочетание износостойкости и герметичности (отсутствие пор) материала при ограниченной твердости. Таким образом, основной проблемой модифицирования серых доэвтектических чугунов цирконием становится повышение износостойкости отливок наряду со снижением количества пор при ограниченной твердости материала.

Известен модификатор [1], включающий кремний-, марганец- и цирконийсодержащие добавки. Они содержатся в количестве (мас.%):

Si - 60-65;

Mn - 5-7;

Zr - 5-7.

Модификатор вводят в количестве 0,25-0, 3% от веса серого чугуна в ковше. В процессе ее производства лигатура интенсивно насыщается атмосферными газами. Например, содержание водорода составляет в ней 40-50 см³/100 г. Плотность полученной лигатуры составляет 6-6,5 г/см³. В результате растворения лигатуры в серый чугун переходит 0,01-0,05% циркония.

Модифицирование приводит к повышению механических характеристик по сравнению с немодифицированным серым чугуном: предела прочности на 30-50%, стрелы прогиба на 60-75%, потери веса при испытаниях износостойкости уменьшаются на 15-20%. Это обусловлено тем, что наличие циркония в сером чугуне увеличивает число центров кристаллизации графита, что приводит к его измельчению и, как следствие, уменьшению концентрации напряжений в материале.

Кроме того, модификатор изменяет распределение легирующих элементов между жидкой и твердой фазами в процессе первичной кристаллизации, что приводит к росту доли перлита в структуре металлической основы, а также к повышению износостойкости.

Однако износостойкость такого серого чугуна является недостаточной для деталей, подвергающихся интенсивному износу. Это обусловлено тем, что большая газонасыщенность лигатуры привносит в серый чугун дополнительное количество газов. Повышенное содержание газов в расплаве в свою очередь приводит к рассеянной газо-усадочной пористости серого доэвтектического чугуна. Увеличение количества пор в сером чугуне отливки приводит к резкому снижению износостойкости.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является модификатор [2], включающий кремний-, цирконий-, вольфрам-, алюминий-, магний- и кальцийсодержащие добавки. Они содержатся в количестве, (мас.%):

Si - 27-35;

Zr - 19-38;

W - 0,3-2,8;

Al - 3-6;

Mg - 2-5;

Са - 0-0,2;

остальное - железо.

Модификатор вводят в количестве 0,05% от веса серого чугуна в ковше. Эта лигатура производится электродуговой плавкой. Она обладает существенно меньшей газонасыщенностью. Содержание водорода в лигатуре составляет 10-20 см³/100 г. Лигатура имеет плотность 6,5-6,8 г/см³. В результате растворения лигатуры в серый чугун переходит до 0,5% циркония.

Достоинством данного модификатора в сравнении с вышеописанным является повышение предела прочности на 10-20%, стрелы прогиба на 2-5%, уменьшение потерь веса при испытаниях износостойкости на 20%. Это обусловлено увеличением содержания циркония в лигатуре, что приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации графита. В свою очередь увеличение этого числа приводит к измельчению графита и, соответственно, уменьшению концентрации напряжений в материале, что увеличивает износостойкость.

Однако износостойкость такого серого чугуна остается недостаточной для деталей, подвергающихся интенсивному износу, несмотря на то, что она (износостойкость) является приемлемой для большинства чугунных деталей машин и механизмов. Это обусловлено тем, что увеличение содержания циркония и наличие вольфрама приводит к межчастичному отталкиванию и увеличивает расстояния между атомами (ионами) железа и, как следствие - к увеличению удельного объема жидкой фазы (расплава). Это приводит к росту объемной усадки модифицированного сплава. В свою очередь значительная усадка увеличивает число пор в сером доэвтектическом чугуне, что существенно снижает износостойкость.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке модификатора, позволяющего повысить износостойкость отливок из серого доэвтектического чугуна, работающих в условиях интенсивного износа, при сохранении высокого уровня предела прочности и стрелы прогиба, а также при обеспечении ограниченной твердости за счет уменьшения удельного объема расплава серого чугуна при заливке и резкого уменьшения объемной усадки.

Для решения поставленной задачи в модификаторе, включающем кремний-, цирконийсодержащие добавки и алюминий, в качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO₂), цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂) при следующем соотношении компонентов, (мас.%):

SiO₂ - 35-45;

ZrO₂ - 35-45;

Al - 10-20.

Модификатор вводят в количестве 0,02% от веса серого чугуна в ковше.

Выбор в качестве кремнийсодержащей добавки SiO₂, в качестве цирконийсодержащей добавки ZrO₂, и новое соотношение компонентов в модификаторе отличают заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентноспособности "новизна".

Выбор в качестве кремнийсодержащей добавки SiO₂, а в качестве цирконийсодержащей добавки ZrO₂ приводит к резкому повышению износостойкости. Это обусловлено тем, что в ковшевом расплаве протекает металлотермическая реакция, константа которой мала из-за относительно малой температуры выпускаемого из вагранки серого чугуна. При этом константа реакции определяет выход восстанавливаемого металла (Zr - Si). Малое количество циркония в сером чугуне (не более 0,005 мас.%) обуславливает достаточное количество центров кристаллизации графита, что приводит к его измельчению и снижению концентрации напряжений в материале.

Одновременно происходит прирост доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры), который оказывается неожиданно большим. Это все приводит к увеличению износостойкости.

Кроме того, наличие кислорода в модификаторе приводит к резкому снижению удельного веса модификатора за счет увеличения периодов (межплоскостных расстояний) в кристаллических решетках оксидов. Уменьшение удельного веса вызывает всплытие модификатора (эффект флотации) с одновременной ассимиляцией растворенных газов, что обеспечивает дополнительную дегазацию серого чугуна, наряду с рафинирующим и дегазирующим действием восстановленного циркония.

Дегазация приводит к резкому сокращению числа пор в сером чугуне, что создает ощутимый прирост износостойкости.

Повышение износостойкости за счет вышеописанных факторов логически вытекает из известного уровня техники и не приводит к резкому его изменению.

Неочевидный результат заключается в том, что малое количество циркония в модификаторе приводит к резкому повышению износостойкости. Полученный результат не вытекает из известного уровня техники и свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентноспособности "изобретательский уровень".

Модификатор включает кремний- и цирконийсодержащие добавки, а также алюминий. В качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния, в качестве цирконийсодержащей добавки выбрана двуокись циркония. Компоненты выбраны из следующего интервала, (мас.%):

SiO₂ - 35-45;

ZiO₂ - 35-45;

AL - 10-20.

Для приготовления модификатора используют циркониевую руду (бадделеит), например, Алгаминского месторождения (Хабаровский край) или месторождений северного Урала и Украины. Минералогический состав бадделеита Алгаминского месторождения приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Минералогический состав бадделеита

Компонент	SiO2	Al2O3	Fe2O3	ZrO2	WO3	CaO и MgO
Мас.%	46-52	0,35-0,47	до 0.16	45-48	ДО 2	ост.

Для приготовления модификатора ингредиенты выбирают в следующих диапазонах, (мас.%):

- Бадделеит (циркониевая руда) - 75-85;

- Кварцевый песок - 13-15;

- Алюминиевая стружка - 10-20.

Алюминиевая стружка является отходам разделки профиля строительных конструкций. Кварцевый песок взят из Кичигинского карьера.

Пример 1.

Для приготовления модификатора берут 150 кг бадделеита (80%), размалывают в шаровой мельнице, затем перемешивают с алюминиевой стружкой и кварцевым песком в шнековом смесителе. Полученную смесь прокаливают в течение 5 часов при температуре 300-350°С.

Модификатор вводят в количестве 350 г на 180 кг металла в ковше (0,02% от 180 кг). Его помещают на дно ковша в полиэтиленовом пакете, затем выливают 180 кг серого ваграночного чугуна в ковш. Перемешивание происходит само по себе при всплытии модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм.

Примеры 2-6.

Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1, изменяя состав, приводимый в таблице 2.

Таблица 2.

Состав модификатора

Содержание компонента мас.%	SiO2	ZrO2	Al
Пример 1	45	45	10
Пример 2	40	45	15
Пример 3	45	35	20
Пример 4	35	45	20
Пример 5	30	50	20
Пример 6	50	30	20

Пример 7.

Серый чугун модифицируют по прототипу так, как указано в описании к изобретению по патенту N 2184791. Состав модификатора приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Состав модификатора

Содержание компонента мас.%	Si	Zr	W	Al	Mg	Са
Пример 7 (прототип)	30	35	1,5	4	3	0,15

Для механических испытаний из отлитых проб изготавливали образцы для физико-механических испытаний:

- кубики 30×30×30 для испытаний на сжатие ГОСТ 4651 или ГОСТ 25.503;

- цилиндры 20×220 для испытаний на изгиб ГОСТ 4648;

- призмы 40×20×20 для испытаний на машине трения и определения твердости по Бринеллю ГОСТ 9012.

Далее производили испытания по указанным стандартным методикам на образцах серого чугуна заданных размеров.

Результаты физико-механических испытаний образцов модифицированного серого чугуна по сравнению с немодифицированным серым чугуном приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Прирост механических характеристик %	Предел прочности на сжатие %	Твердость НВ%	Стрела прогиба %	Износостойкость (убыль потерь веса) %
Пример 1	28	30	75	37
Пример 2	30	30	80	40
Пример 3	30	30	70	35
Пример 4	45	45	85	45
Пример 5	48	48	90	50
Пример 6	25	28	75	32
Пример 7 (прототип)	50	50	75	30

Таким образом, результаты испытаний показывают, что износостойкость, в результате применения заявляемого модификатора увеличивается на 33% (в 1,3 раза) по сравнению с прототипом при сохранении высокого предела прочности и стрелы прогиба.

Кроме того, в результате отсутствия металлургического передела в технологической цепочке стоимость предлагаемого модификатора по сравнению с известными лигатурами снижается в 10-15 раз.

ЛИТЕРАТУРА

1. Burgess, С.0. and R.W.Bishop. Alternations in Cast-iron Properties Accompanying Use of a Strong Inoculant of the Silicon-Manganese-Zirconium Type, Trans. Am. Foundrymen's Assoc., v.52, 1944-1945 (1944), pp.671-710.

2. Патент 21844791 РФ, МПК⁸ С22С 35/00, Лигатура / В.М.Григорьев, Т.В.Белоус (РФ); ХГТУ (ПФ). Опубл. 10.07.2002, Бюл. №19.

Модификатор, содержащий кремний- и цирконийсодержащие добавки и алюминий, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащей добавки используют двуокись кремния (SiO₂), а в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Двуокись кремния (SiO2)	35-45
Двуокись циркония (ZrO2)	35-45
Алюминий	10-20