Комплексная экзотермическая смесь
Изобретение относится к литейному производству. Смесь содержит следующие компоненты, мас.%: металлический алюминий 25-38, фтористый кальций 18-35, окислы алюминия 6-13, ферротитан 12-22, силикобарий 8-17, угольная пыль 1-5. Обеспечивается повышение жидкотекучести, ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости. 2 табл.
Изобретение относится к области литейного производства, в частности к комплексным экзотермическим смесям, используемым для внепечной обработки антифрикционных чугунов при производстве ответственных литых деталей двигателей.
Известна комплексная экзотермическая смесь (Патент Франции №2 338 097, МПК B22D 7/00, 1977), содержащая, мас.%:
| Металлический алюминий | 10-40 |
| Окислы алюминия, кальция и магния | 10-80 |
| Перлит и/или вермикулит | 0-30 |
| Древесная мука | 5-30 |
| Угольная пыль | 0-5 |
Эта экзотермическая смесь не обладает достаточной интенсивностью протекания экзотермических реакций в железоуглеродистом расплаве, снижает упругопластические свойства и трещиностойкость чугунов в отливках, особенно, при высоком содержании древесной муки, перлита и окислов алюминия.
Известна также экзотермическая смесь с комплексным окислителем для литых деталей (Побежимов Г.Н., Маньков В.Г. - М.: Литейное производство, 1979, №2. - С.17-18), содержащая от 21 до 25% алюминия, фторсодержащие соединения, окислы железа и марганца. Эта экзотермическая смесь не обеспечивает стабильных результатов при обработке чугуна и снижает жидкотекучесть и износостойкость чугуна.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является экзотермическая смесь (Патент RU №2 376 101, МПК B22D 1/00, 2009, прототип), содержащая, мас.%:
| Металлический алюминий | 25-38 |
| Фтористый кальций | 18-35 |
| Окислы алюминия | 14-27 |
| Силикокальций или ферротитан | 12-25 |
| Угольная пыль | 1-5 |
При использовании этой экзотермической смеси при внепечной обработке чугуна в литых деталях достигаются следующие механические и технологические свойства:
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 11-13 |
| Относительное удлинение, % | 3,2-3,9 |
| Дисперсность структуры, ПД | 0,5-1,0 |
| Склонность к трещинообразованию, | |
| среднее количество трещин в технологической пробе | 2,7-3,0 |
| Износостойкость при сухом трении, мкм/км | 0,31-0,45 |
Существенным недостатком этой смеси является то, что она не обеспечивает повышения упругопластических свойств, износостойкости и трещиностойкости антифрикционных чугунов в литых изделиях, что связано с недостаточной концентрацией в смеси модифицирующих компонентов и загрязнением расплава окислами.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, износостойкости при сухом трении и упругопластических свойств обрабатываемых антифрикционных чугунов.
Поставленная задача решается тем, что комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, фтористый кальций, окислы алюминия, ферротитан и угольную пыль, дополнительно содержит силикобарий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Металлический алюминий | 25-38 |
| Фтористый кальций | 18-35 |
| Окислы алюминия | 6-13 |
| Ферротитан | 12-22 |
| Силикобарий | 8-17 |
| Угольная пыль | 1-5 |
Существенным отличием предложенной экзотермической смеси является введение в ее состав эффективной химически активной модифицирующей присадки - силикобария и снижение в составе смеси содержания окислов.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение силикобария обусловлено тем, что он является эффективным химически активным экзотермическим и модифицирующим компонентом, оказывающим положительное влияние на термодинамические, термические и технологические параметры железоуглеродистого расплава, их однородность, что способствует повышению дисперсности структуры, трещиностойкости и упругопластических свойств чугунов в отливках.
При увеличении концентрации силикобария более 17% усиливается интенсивность протекания экзотермических реакций и повышаются кинетические параметры железоуглеродистого расплава, что увеличивает угар и безвозвратные потери металла, снижение стабильности состава чугуна и его износостойкости. При концентрации силикобария менее 8% технологические и упругопластические свойства чугуна в отливках недостаточны.
Введение металлического алюминия в количестве 25-38% и фтористого кальция в количестве 18-35% связано с их высокими термическими реакциями в железоуглеродистых расплавах, способностью хорошо раскислять металл и повышать его однородность, трещиностойкость и упругопластические свойства. Их содержание соответствует общепринятым нормам их концентраций при производстве экзотермических смесей для высокоуглеродистых литейных сплавов.
Снижение в составе смеси ферротитана до количества 22% и окислов алюминия до количества 6-13% усиливает интенсивность протекания экзотермических реакций и кинематические параметры железоуглеродистого расплава. При этом количество ферротитана ниже 12% и окислов алюминия ниже 6% снижают стабильность структуры, а при повышении их содержания выше верхних пределов соответственно 22% и 13% увеличивает угар расплава, снижаются однородность расплава, характеристики упругопластических свойств, износостойкости и трещиностойкости.
Угольная пыль в количестве 1-5% оказывает графитизирующее влияние при внепечной обработке, повышает температуру расплава, стабильность упругопластических и технологических свойств чугуна в отливках. Ее эффективность начинает сказываться с содержания 1%. При концентрации угольной пыли более 5% снижаются характеристики износостойкости и упругопластических свойств.
Для сравнения эффективности использования известной и предложенной экзотермических смесей проведена апробация их в производственных условиях при производстве ответственных литых деталей двигателей из антифрикционных чугунов.
Опытные плавки антифрикционного чугуна марки АЧС-3 проводили в индукционных тигельных печах с использованием в качестве шихтовых материалов чугунного лома марки 17А, стального лома марки 1А, литейного чугуна марки Л3, углеродистого феррохрома ФХ200, ферромарганца ФМн78, никеля марки НП3, ферротитана и других ферросплавов.
Комплексную экзотермическую смесь в виде цилиндрических прессованных таблеток вводили в раздаточные ковши при выпуске чугуна из печи с температурой 1380-1450°С.
В таблице 1 приведены составы комплексных экзотермических смесей, используемых для внепечной обработки чугунов опытных плавок.
| Таблица 1 | ||||||
| Соста-вы смесей | Содержание компонентов в экзотермических смесях, мас.% | |||||
| Металлический алюминий | Фтористый кальций | Окислы алюминия | Ферротитан | Силикобарий | Угольная пыль | |
| 1 (Изв.) | 32 | 27 | 20 | 18 | - | 3 |
| 2 | 18 | 17 | 17 | 23 | 19 | 6 |
| 3 | 25 | 35 | 6 | 12 | 17 | 5 |
| 4 | 30 | 27 | 12 | 18 | 10 | 3 |
| 5 | 38 | 18 | 13 | 22 | 8 | 1 |
| 6 | 39 | 16 | 15 | 24 | 6 | - |
Для определения металлографической структуры, прочностных и технологических свойств чугунов отливали стандартные образцы для механических испытаний, спиральные технологические пробы, пробы трещиностойкость и отбел, а также детали двигателей.
Металлографические исследования и анализ дисперсности структуры чугуна проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87, для определения ударной вязкости использовали образцы с размерами 10×10×55 мм. Определение трещиностойкости проводили на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
| Таблица 2 | ||||||
| Смесь | Жидкотекучесть, мм | Дисперсность структуры, ПД | Относительное удлинение, % | Износостойкость, мкм/км | Ударная вязкость, Дж/см2 | Трещиностойкость, Среднее количество трещин в технологической пробе |
| 1 (Изв.) |
595 | 1,0 | 3,6 | 0,32 | 12 | 3,0 |
| 2 | 590 | 1,0 | 3,8 | 0,31 | 13 | 3,0 |
| 3 | 612 | 0,5 | 5,5 | 0,28 | 15 | 1,5 |
| 4 | 625 | 0,3 | 7,0 | 0,25 | 16 | 1,0 |
| 5 | 620 | 0,5 | 6,8 | 0,26 | 14 | 2,0 |
| 6 | 605 | 0,5 | 5,2 | 0,30 | 12 | 2,5 |
В таблице 2 приведены технологические и механические свойства чугунов, полученных после внепечной обработки экзотермическими смесями известного и предложенного состава, а также анализ структур и свойств чугунов в отливках.
Как видно из таблицы 2, предложенная экзотермическая смесь обеспечивает более высокие характеристики износостойкости, ударной вязкости, относительного удлинения и меньшую склонность к трещинообразованию, чем известная.
Комплексная экзотермическая смесь, содержащая металлический алюминий, фтористый кальций, окислы алюминия, ферротитан и угольную пыль, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит силикобарий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Металлический алюминий | 25-38 |
| Фтористый кальций | 18-35 |
| Окислы алюминия | 6-13 |
| Ферротитан | 12-22 |
| Силикобарий | 8-17 |
| Угольная пыль | 1-5 |
