Способ измельчения графитных включений в высокопрочном чугуне
Владельцы патента RU 2402617:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "Брянский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности, к способам обработки расплава для получения высокопрочного чугуна с дисперсными включениями шаровидного графита. Способ включает выплавку чугуна в индукционной электропечи, проведение первоначального и вторичного модифицирования. Первичное модифицирование проводят мелкофракционным ферросилицием ФС75 в количестве 0,15-0,20% от массы расплава, а вторичное модифицирование проводят комплексной лигатурой, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22 в количестве 2,0-2,5% от массы расплава, легирование, выдержку и модифицирование расплава осуществляют до достижения чугуном эвтектического состава, в мас.%: углерод 3,10…3,25; кремний 3,70…4,00; марганец 0,20…0,25; медь 1,00…1,50; фосфор 0,02…0,03; сера 0,01…0,012; магний 0,04…0,07; железо - остальное. Первичное модифицирование проводят на желобе печи при сливе расплава в ковш или в самом разливочном ковше. В этом случае вторичное модифицирование проводят в форме, а количество комплексного модификатора уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава. Первичное модифицирование можно проводить в индукционном миксере. Время выдержки между первичным и вторичным модифицированием не должно превышать 3 мин. Использование изобретения позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства чугуна. 5 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки расплава для получения высокопрочного чугуна с дисперсными включениями шаровидного графита.
Известен способ [1, с.810-812] увеличения эффективных зародышей графита, за счет получения чугуна эвтектического состава (Sc=1). Технологический процесс получения такого чугуна включает раскисление и десульфурацию исходного расплава с применением метода термического анализа и получения специальной клиновидной пробы для контроля зародышевого состояния графитной фазы и склонности чугуна к отбелу. Шаровидный графит в чугуне получают модифицированием Fe-Si-Mg-лигатурой (3,7% Mg) в количестве 1,2-1,4% от массы металла. Способ имеет следующие недостатки: большое количество технологических операций усложняет подготовку расплава; изначально полученный в печи чугун эвтектического состава при последующем модифицировании кремнийсодержащей лигатурой приобретает состав заэвтектического чугуна, что приводит к выделению первичного графита и, как следствие, его укрупнению.
Известен способ [2, с.50-51] первичного модифицирования, заключающийся в обработке расплава в электропечи с использованием малых добавок ферросилиция, графита и карбида кремния, для повышения числа эффективных зародышей графита в высокопрочном чугуне. Недостатком способа является использование сильных графитизирующих элементов (С и Si) без предварительной корректировки химического состава расплава по этим элементам, что приводит к структурной графитной неоднородности. Она возникает как следствие химической неоднородности расплава и является причиной появления локальных областей заэвтектического состава, в которых при последующей кристаллизации выделяется крупный первичный графит. Двойное модифицирование применяют в основном для получения ферритных высокопрочных чугунов. Инокулирующие модификаторы быстро утрачивают эффективность процесса зародышеобразования графита при увеличении времени выдержки промодифицированного расплава.
Наиболее близким по техническим решениям, выбранным в качестве прототипа, является способ [3] получения высокопрочного чугуна из исходного чугуна, включающий расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры расплава до 1420-1480°С, первоначальное модифицирование его лигатурой, содержащей редкоземельные металлы и кремний, и вторичное модифицирование. Первоначальное модифицирование проводят до появления эффекта перемодифицирования чугуна, а вторичное модифицирование проводят лигатурой, содержащей РЗМ, Mg и Si, в количестве 0,1-1,2% от массы металла при 1300-1400°С. Количество лигатуры, которую вводят в расплав при первоначальном модифицировании, возможно определять по получению вермикулярного графита. Первоначальное модифицирование проводят лигатурой, содержащей 8-40% РЗМ, 20-60% Si, 0,1-1,5% Al, 0,5-6% Ca, 0,1-3% Mg, 0,1-2,5% Сu, в количестве 0,6-2,5% от массы расплава. Первоначальную обработку расплава проводят на желобе плавильной печи или в раздаточном ковше. Вторичное модифицирование можно производить в ковше, в миксере или в форме.
Однако этот способ имеет следующие недостатки. Отсутствие эффективных экспресс-методов контроля не позволяет оценить эффект перемодифицирования чугуна в условиях низкой «живучести» первичного модифицирования расплава при температурах 1420-1480°С. Контроль количества лигатуры, используемой при первоначальном модифицировании, по микроструктуре чугуна в технологических условиях плавки не возможен. Большой интервал в количестве вторичного модификатора от 0,1 до 1,2% не гарантирует стабильность формы графитных включений в высокопрочном чугуне. Использование при первоначальном и вторичном модифицировании дорогостоящих и дефицитных лигатур, содержащих РЗМ, повышает себестоимость изделий, получаемых из такого чугуна.
Целью изобретения является разработка способа стабильного получения высокопрочного чугуна с дисперсными графитными включениями шаровидной формы.
Указанная цель достигается тем, что осуществляют легирование расплава медью, первичное модифицирование проводят мелкофракционным ферросилицием ФС75 в количестве 0,15-0,20% от массы расплава, а вторичное модифицирование проводят комплексной лигатурой, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22 фракцией 4-8 мм, при этом время выдержки между первичным и вторичным модифицированием не превышает 3 мин. Первичное модифицирование можно производить в индукционной печи, на желобе печи при сливе металла в ковш, в индукционном миксере или в разливочном ковше. Вторичное модифицирование проводят в ковше, при этом расход комплексной лигатуры, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22, составляет 2,0-2,5% от массы расплава, или в форме при этом количество комплексной лигатурой уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава, заливаемого в форму. Обработку расплава модификаторами осуществляют до достижения чугуном эвтектического состава, в мас.%:
| углерод | 3,10…3,25 |
| кремний | 3,70…4,00 |
| марганец | 0,20…0,25 |
| медь | 1,00…1,50 |
| фосфор | 0,02…0,03 |
| сера | 0,01…0,012 |
| магний | 0,04…0,07 |
| железо | остальное |
Использование такого метода обеспечивает стабильное получение мелких шаровидных включений графита (диаметром 7-20 мкм) и их равномерное распределение по сечению отливок. Мелкая, равномерно распределенная графитная фаза в чугуне, имеющая правильную шаровидную форму, способствует повышению механических свойств изделий. Уменьшение размеров графитных включений приближает чугунные детали по свойствам к стальным, при сохранении технологических и эксплуатационных преимуществ, присущих чугунам.
Сочетание химических компонентов расплава в печи с учетом использования в последующем кремнийсодержащих модификаторов должно обеспечивать получение чугуна эвтектического состава. Поэтому при расчете шихты учитывают изменения степени насыщенности чугуна по кремнию при двойном модифицировании кремнийсодержащими лигатурами.
Основное внимание при расчете шихты уделяют кремнию и углероду, поскольку именно их сочетание обеспечивает требуемый уровень степени насыщенности чугуна (Sc=1). Применение чугунов эвтектического состава позволяет избежать выделения первичных фаз (аустенита или графита) и тем самым добиться более равномерного распределения эвтектических ячеек в структуре.
Пониженное содержание углерода в чугуне используется для получения мелких графитных включений, т.к. углерод является исходным материалом для графита. Требуемая степень насыщенности достигается повышенным легированием чугуна кремнием до 4%. Кремний добавляется в расплав несколькими этапами. Во-первых, наибольшее количество кремния вносится с расплав с шихтой. Во-вторых, при печном инокулирующем модифицировании. В-третьих, при сфероидизирующей обработке в составе комплексной лигатуры.
Традиционно считают, что высокое содержание кремния приводит к вырождению сферической формы графита, но это явление не наблюдается в условиях использования процесса двойного модифицирования высокопрочного чугуна, легированного медью.
Эффективность влияния на процессы зародышеобразования графита в расплаве чугуна печного модифицирования ферросилицием объясняется гетерогенизацией расплава на микрообъемы с высоким содержанием кремния, обедненные углеродом, и наоборот. Изначально кремний повышает коэффициент активности углерода в жидких растворах на основе железа и способствует расслоению расплава. Последующее инокулирующее модифицирование приводит к повышению устойчивости флуктуации химического состава в жидком чугуне. Гетерогенизация расплава является причиной формирования зародышей графита в микрообъемах с высоким содержанием углерода, т.к. в этих областях концентрация углерода фактически становится заэвтектической.
Медь в расплаве оказывает кинетическое влияние на процессы графитообразования. Легирование расплава медью приводит к его расслоению по этому элементу, т.к. медь обладает ограниченной растворимостью в сплавах железа. При этом наблюдается повышенная концентрация меди у графитных включений, она блокирует процесс диффузии углерода к графиту и препятствует последующему росту графитных включений. В итоге наблюдается равномерное распределение мелких включений в структуре чугуна.
Содержание марганца выдерживается на нижнем переделе, который обусловлен концентрацией этого элемента в исходных шихтовых материалах.
Содержание серы и фосфора принято на уровне примесей, количество которых в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами и десульфурацией магнийсодержащими модификаторами.
Магний вводится в чугун при сфероидизирующем модифицировании, как составляющий элемент магнийсодержащих лигатур. Его остаточное содержание в пределах 0,04-0,06 обеспечивает получение в чугуне графита шаровидной формы.
Использование комплексного модификатора на основе Fe-Si-Mg лигатуры с добавками редкоземельных элементов, в частности Се, и барийсодержащего модификатора обеспечивает получение сфероидальной формы графита в чугуне. Дополнительный ввод барийсодержащей лигатуры обеспечивает повышение графитизации расплава чугуна и способствует длительному сохранению модифицирующего эффекта.
Для получения комплексного модификатора составляющие его лигатуры измельчают до фракции 4-8 мм и перемешивают до получения равномерного распределения составляющих компонентов. Не допускается использование мелкофракционного модификатора SIBAR22 (0,5-1 мм), т.к. малые размеры могут быть следствием его рассыпания при вылеживании. Механизм рассыпания связан с взаимодействием лигатуры с кислородом воздуха, это снижает модифицирующий эффект.
Для деталей, имеющих толстые стенки и сложную конфигурацию, первичную обработку ферросилицием проводят в разливочном ковше, а вторичное модифицирование в форме. Позднее модифицирование повышает эффективность получения мелкодисперсных включений графита в структуре чугуна.
При внутриформенном модифицировании повышается усвоение Mg, поэтому количество водимой комплексной лигатуры уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава, заливаемого в форму.
При печном модифицировании используют индукционные тигельные печи или канальные миксеры. Конвективные потоки, обусловленные воздействием электромагнитного поля индуктора на расплав, способствуют интенсивному его перемешиванию и равномерному распределению модификатора.
Важным условием получения мелких графитных включений в чугуне является позднее модифицирование и малый временной промежуток между процессами первичного и вторичного модифицирования. Увеличение времени выдержки металла в печи свыше 2-3 мин после первичного модифицирования приводит к постепенному угасанию инокулирующего эффекта. Для предотвращения этого явления проводят модифицирование на желобе печи при сливе расплава в ковш. При этом ферросилиций равномерно подают в струю металла в ранее указанной пропорции. Время выдержки расплава между первичным и вторичным модифицированием не должно превышать 3 мин.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок из высокопрочного чугуна с равномерно распределенными в структуре мелкими включениями шаровидного графита. Заготовки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению отливки, за счет мелких включений графита по свойствам приближаются к конструкционным доэвтектоидным сталям и могут широко использоваться в различных отраслях народного хозяйства.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов.
Плавку чугуна осуществляют в плавильных электропечах. Расплав легируют в печи медью. Проводят двойное модифицирование. Первичное модифицирование осуществляют в печи, в миксере, при сливе в ковш или в ковше, с использованием ферросилиция. Вторичное модифицирование реализуют с использованием комплексной лигатуры. Вторичное модифицированием проводят в ковше сэндвич-процессом или в форме.
Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с требуемой микроструктурой.
Пример. Плавку чугуна проводили в индукционной тигельной печи промышленной частоты, емкостью 50 кг с кислой футеровкой. В качестве шихты для получения полусинтетического чугуна использовали чугун ПВК - НК и сталь Ст3. Для науглероживания расплава использовали графитизированный коксик. Для легирования использовали электролитическую медь. Обработку расплава чугуна проводили способами, представленными в табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| Способы обработки расплава | |||||
| № способа обработки расплава | Первичное модифицирование | Время между первичным и вторичным модифицированием, мин | Вторичное модифицирование | ||
| Состав модификатора | Количество и способ ввода в расплав | Состав модификатора | Количество и способ ввода в расплав | ||
| 1 | ФС 75 по ГОСТ 1415-79 | 0,25% в печи | 3 | Комплексная лигатура** | 2,5% в ковше |
| 2 | ФС 75 по ГОСТ | 0,2% в ковше | 5 | Комплексная лигатура*** | 2,0% в ковше |
| 3 | ФС 75 по ГОСТ | 0,2% в печи | 2 | Комплексная лигатура** | 1,3% в форме |
| 4 | ФС 75 по ГОСТ | 0,2% на желобе печи при сливе в ковш | 3 | Комплексная лигатура** | 1,3% в форме |
| 5* | 20% Се, 45% Si, 0,5% Al, 1% Са, 3% Mg, 0,3% Cu | 2% в ковше | 5 | ФСМг-7 по ТУ 14-5-134-86 | 0,5% в ковше |
| Примечание * - способ обработки расплава в соответствии с прототипом [3], |
| ** - комплексная лигатура, состоящая из 70% ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86) и 30% SIBAR22 (ТУ 082-001-72684889-06) (фракция 5-6 мм), | |
| *** - комплексная лигатура, состоящая из 50% ФСМг-7 и 50% SIBAR22 (фракция 5-6 мм). |
Чугун заливали в песчано-глинистые барабанные формы с сифонной литниковой системой для получения цилиндрических заготовок ⌀ 30 мм, из которых изготавливали образцы для исследования микроструктуры и механических свойств. Результаты микроструктурного анализа и исследования механических свойств образцов из чугуна представлены в табл.2.
| Таблица 2 | |||||||||
| Микроструктура и механические свойства высокопрочного чугуна | |||||||||
| № способа обработки расплава (таблица 1) | Механические | ||||||||
| Микроструктура чугуна по ГОСТ 3443 - 87 | |||||||||
| свойства | |||||||||
| Графит | Металлическая основа | ||||||||
| σв, | δ, | ||||||||
| Форма | Размер | Распределение | Количество | Перлит (Феррит) | Дисперсность перлита | МПа | НВ | % | |
| 1 | ШГф5 | ШГд25 | ШГр1 | ШГ6 | П6(Ф94) | Пд0,5 | 375 | 163 | 18 |
| 50% | |||||||||
| 2 | ШГф5 | ШГд25 | ШГр4, | ШГ4, | П0(Ф) | - | 290 | 137 | 4 |
| + 50% | ВГр2 | ВГ70 | |||||||
| ВГф3 | |||||||||
| 3 | ШГф5 | ШГд15 | ШГр1 | ШГ10 | П20(Ф80) | Пд0,5 | 420 | 183 | 16 |
| 4 | ШГф5 | ШГд15 | ШГр1 | ШГ10 | П20(Ф80) | Пд 0,5 | 400 | 179 | 15 |
| 70% | |||||||||
| ШГф5 | ШГд15 | ШГ6, | |||||||
| 5* | + 30% | ШГд25 | ШГр4 | ВГ70 | П20(Ф80) | Пд0,5 | 350 | 167 | 7 |
| ВГф3 | |||||||||
| Примечание * - структура и свойства чугуна после обработки расплава в соответствии с прототипом [3] |
Химический состав чугуна, % мас.: 3,0-3,3 С; 3,5-3,9 Si; 0,2-0,25 Mn; 1,0-1,25 Сu; 0,025-0,028 Р; 0,01-0,012 S; 0,03-0,08 Mg.
В чугуне, обработанном по способу №1 (табл.1 и 2), не обеспечиваются наивысшие свойства по причине превышения лимита ввода ФС75 при первичном модифицировании в печи. В чугуне, модифицированном по технологии прототипа [3] (способ №5 в табл.1 и 2), диаметр включений составил 25-30 мкм. Графитная фаза в металлической матрице распределена неравномерно, включения наряду со сферической имели компактную и вермикулярную формы. Графитная фаза образцов, прошедших обработку по способу №5, идентична структуре образцов, прошедших обработку по способу №2. В образцах, полученных после двойного модифицирования, полученных по заявляемому способу, (способ №3 и №4), диаметр включений 7-20 мкм, они распределены равномерно и 90% имеют сферическую форму. Структура металлической матрицы в обоих случаях ферритно-перлитная.
Прочностные и пластические свойства образцов, подвергнутых двойному модифицированию по предлагаемому, превысили свойства образцов, прошедших только сфероидизирующее модифицирование, на 20-50%.
Заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получать в отливках из высокопрочного чугуна равномерно распределенную мелкодисперсную графитную фазу, что позволяет повысить уровень механических свойств.
Источники информации
1. Über optimiertes eutektisches GuBeisen als besonders günstigen GuBwerkstoff/ Marincek Borut // Giesserei. 1992. - 79, №19. - с.810-812.
2. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. Вареник П.А. - Киев: Наук. думка, 1986. - с.50-51.
3. Способ получения высокопрочного чугуна. Рушаник Б.А., Кавицкий И.М., Кавицкий С.И. Патент №2188240 РФ. Бюл. №24, 27.08.2002. МКИ С21С 1/10, С22С 37/04. - с.302.
1. Способ обработки расплава для получения высокопрочного чугуна с дисперсными включениями шаровидного графита, включающий расплавление шихты в плавильном агрегате, доводку температуры расплава до 1440-1450°С, первичное модифицирование его лигатурой и вторичное модифицирование, отличающийся тем, что осуществляют легирование расплава в печи медью, первичное модифицирование проводят мелкофракционным ферросилицием ФС75 в количестве 0,15-0,20% от массы расплава, а вторичное модифицирование проводят комплексной лигатурой, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22 фракцией 4-8 мм, при этом время выдержки между первичным и вторичным модифицированием не превышает 3 мин, а выдержку и модифицирование расплава осуществляют до достижения чугуном эвтектического состава, мас.%:
| углерод | 3,10…3,25 |
| кремний | 3,70…4,00 |
| марганец | 0,20…0,25 |
| медь | 1,00…1,50 |
| фосфор | 0,02…0,03 |
| сера | 0,01…0,012 |
| магний | 0,04…0,07 |
| железо | остальное |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное модифицирование проводят в индукционной печи.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное модифицирование проводят на желобе печи при сливе расплава в ковш или в разливочном ковше.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное модифицирование проводят в индукционном миксере.
5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что вторичное модифицирование проводят в ковше, при этом количество комплексной лигатуры, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22, составляет 2,0-2,5% от массы расплава.
6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что вторичное модифицирование проводят в форме, при этом количество комплексной лигатурой, состоящей из 70% ФСМг-7 и 30% SIBAR22, уменьшают до 1,0-1,5% от массы расплава, заливаемого в форму.
