Способ получения чугуна с шаровидной формой графита
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения больших единичных масс высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, в частности для производства крупнотоннажного литья. Цель изобретения стабилизация процесса сфероидизации графита, улучшение качества и уменьшение стоимости чугуна. Чугун вначале обрабатывают зкзотермической шлаковой смесью в количестве 1,0 — 2,5% от смеси чугуна, затем модифицируют магнием в количестве 0,12-0,17% от массы чугуна, выдерживают его в течение 0,3-0,5 ч и после удаления шлака проводят повторное модифицирование магнийсодержащей лигатурой в количестве 0,05-1,0% от массы чугуна. (Л 3 табл.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2!) 3872838/22-02 (22) 08.01.85 (46) 23.11.86. Бюл. 1 43 (71) Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии (72) В. В. Лесовой, П. Д. Стец, В. А. Курганов, Л. А. Краузе, А, А. Федорко и В. Л. Гуторова (53) 669.15-198(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Ф 502946, кл, С 21 С 1/10, 1976.
Патент Швейцарии У 565864, кл. С 21 С 1/1О, 1978. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА С ШАРО ВИДНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА (57) Изобретение относится к области литейного производства и может
ÄÄSUÄÄ 1271886 А 1 быть использовано для получения больших единичных масс высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, в частности для производства крупнотоннажного литья. Цель изобретениястабилизация процесса сфероидизации графита, улучшение качества и уменьшение стоимости чугуна. Чугун вначале обрабатывают экзотермической шла.ковой смесью в количестве 1,0 — 2,5Х от смеси чугуна, затем модифицируют магнием в количестве 0 12-0,17Х от массы чугуна, выдерживают его в те-. чение 0,3-0,5 ч и после удаления шлака проводят повторное модифицирование магнийсодержащей лигатурой в ко- Е личестве 0,05-1,07. от массы чугуна.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению больших единичных масс высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, и может быть применено при отливке сталеразливочных изложниц при поточном производстве крупнотоннажного литья (изложницы, поддоны).
Цель изобретения — стабилйзация процесса сфероидизации графита, улучшение качества и уменьшение стоимости чугуна.
Предлагаемый способ получения чугуна с шаровидной формой графита включает обработку чугуна экзотермической шлаковой смесью в количестве
1 0-2 5Х от массы металла, затем модифицирование магнием в количестве 0,12-0,17 от массы металла, выдержку чугуна в течение О, 3-0,5 ч и вторичное модифицирование сфероидизирующей лигатурой.в количестве 0,05-1,0 .от массы металла.
Чугун сначала обрабатывают экзотермическими шлаковыми смесями в количестве 1,0-2,5Х от массы металла, затем слитковым или гранулированным мйгнием в количестве 0,12-0,17Х от массы металла и выдерживают в течение 0,3-0,5 ч, После этого с его поверхности удаляют шлак и производят вторичное модифицирование комплексным модификатором в количестве 0,051 ОХ от массы металла.
Предварительная десульфурация чугуна производится экэотермической шлаковой смесью и идет с экзотермическим эффектом, поэтому в этот период,нет потери тепла чугуна. В качестве экзотермической шлаковой смеси применяют известную смесь, содержащую, мас. : карбит кальция 40-60; графит 5-10; ферросилиций остальное.
Наведенный шлак выполняет при этом. препятствует испарению магния и защищает поверхность чугуна от окисления, уменьшает тепловые потери на испарение магния и сокращает потери тепла излучением, уменьшает расход магния на десульфацию эа счет десульфурации чугуна компонентами, входящими в состав шлака, В табл. 1 приведено усвоение магния, а также суммарное количество тепла 0,1,„, потерянного (-) или полученного (+) чугуном при введении магния, в зависимости от количества шлакообразующей смеси.
Из табл, 1 следует, что при 0,8 . шлакообразующей смеси потери тепла значительные, которые снижают температуру металла на 7-10 С. При количестве шлакообразующей смеси 1Х потери тепла практически равны нулю и с увеличением количества смеси до
2,5 они практически не изменяются, Шлаковое покрытие уменьшает также тепловые потери через зеркало металла за счет излучения, В результате общие тепловые потери уменьшаются в два раза. Кроме того, при обработке чугуна шлаками в количестве менее
1,0 от массы чугуна толщина покрытия шлака недостаточна и при обработке чугуна парами магния наблюдаются прорывы сплошности шлака, что приводит к повышенному окислению магния. Обработка шлаковой смесью более 2,5 . нецелесообразна,так как дальнейшее увеличение практически не влияет на ход процесса и необоснованно увеличивает количество шлака. При обработке чугуна в ковшах с отношением высоты к диаметру (Н/Д) ) 1 количество шлаковой смеси может находиться в пределах 1,0-1 5Х от массы металла, при Н/Д Изобретение относится к области литейного производства и может использоваться для получения отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Источник
способ получения чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей
| Классы МПК: | C21C1/10 получение чугуна со сфероидальной формой графита C21D5/00 Термообработка литейного чугуна | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автор(ы): | Макаренко Константин Васильевич (RU) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Патентообладатель(и): | ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Брянский государственный технический университет» (RU) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Приоритеты: |
| углерод | 3,1-3,3 |
| кремний | 3,0-3,5 |
| марганец | 0,2-0,3 |
| магний | 0,04-0,06 |
| молибден | 1,5-1,7 |
| никель | 2,5-3,0 |
| сера | 0,01-0,012 |
| фосфор | 0,04-0,06 |
| железо | остальное |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке способов получения чугунов с шаровидной формой графита, и может быть использовано при производстве изделий с высокими свойствами ударной вязкости, пластичности и хладостойкости.
Известен способ [1, с.44-45] повышения уровня прочностных и пластических свойств, а также снижения порога хладноломкости чугуна с шаровидным графитом за счет использования операции термоциклирования. К недостаткам способа относится использование длительного, многостадийного и высокотемпературного режима термической обработки, который значительно удлиняет технологический процесс, повышает себестоимость изделий и требует для осуществления специального оборудования. В результате использования способа термоциклирования происходит рост графитных включений, который неблагоприятно влияет на уровень механических и эксплуатационных характеристик.
Известен способ [2] получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Способ включает выплавку в электропечах, легирование, двойное модифицирование, получение отливки в песчаную форму, извлечение ее из формы при температуре 900-1000°C, перемещение в печь с температурой 950-1000°C и последующее регулируемое охлаждение в изотермической ванне при температуре 300-320°C, при этом используют чугун, содержащий (в мас.%):
| углерод | 3,2-3,4 |
| кремний | 3,0-3,3 |
| марганец | 0,3-0,4 |
| магний | 0,04-0,07 |
| молибден | 1,5-1,7 |
| никель | 2,2-2,6 |
| сера | 0,01-0,012 |
| фосфор | 0,06-0,08 |
| железо | остальное. |
Недостатками способа являются: сложность технической реализации способа для крупногабаритных деталей; плохая обрабатываемость деталей; низкие пластические свойства; нестабильность структуры, а присутствие в металлической матрице чугуна мартенсита и карбидов снижает ударную вязкость.
Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [3]. Чугун содержит (в мас.%):
| углерод | 3,23-4,08 |
| кремний | 2,76-3,89 |
| марганец | 0,20-0,47 |
| магний | 0,02-0,05 |
| молибден | 0,15-0,48 |
| алюминий | 0,02-0,08 |
| барий | 0,03-0,10 |
| кальций | 0,008-0,018 |
| РЗМ | 0,02-0,06 |
| железо и примеси | остальное. |
Внепечная обработка чугуна производится модифицирующей смесью, содержащей силикобарий, плавиковый шпат и магнийсодержащую лигатуру. После охлаждения отливки подвергаются термической трехэтапной обработке, состоящей из гомогенизирующего и ферритизирующего отжига, а также искусственного старения.
Недостатком способа является то, что сложно обеспечить в чугуне остаточное содержание бария и кальция в тех процентных концентрациях, которые указаны в составе. Указанные элементы при модифицировании интенсивно взаимодействуют с кислородом и переходят в шлак. При попадании оксидов кальция и бария в чугун они образуют неметаллические включения, которые ослабляют металлическую матрицу и снижают пластические и прочностные свойства чугуна. Трехэтапная термическая обработка удлиняет технологический процесс и повышает себестоимость готовых изделий.
Целью изобретения является разработка способа получения изделий из чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей, которая обеспечивает изделиям высокий уровень пластичности и ударной вязкости при достаточно высокой прочности.
Для достижения указанной цели, чугун выплавляют в индукционной электропечи, расплав при сливе в ковш модифицируют при температуре 1370-1400°C комплексной лигатурой, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), первоначально литьем в сырую песчано-глинистую форму получают отливки из половинчатого чугуна с аустенитно-мартенситной матрицей, для обеспечения аустенитно-ферритной структуры в чугуне проводят графитизирующий отжиг при температуре 980-1100°C с выдержкой 3-5 час и последующим охлаждением с печью до комнатных температур, при этом используют чугун следующего химического состава, (в мас.%):
| углерод | 3,1-3,3 |
| кремний | 3,0-3,5 |
| марганец | 0,2-0,3 |
| магний | 0,04-0,06 |
| молибден | 1,5-1,7 |
| никель | 2,5-3,0 |
| сера | 0,01-0,012 |
| фосфор | 0,04-0,06 |
| железо | остальное. |
В результате получается аустенитно-ферритная структура чугуна с мелкодисперсной графитной фазой шаровидной формы, которая обеспечивает изделиям, изготовленным из этого материала, высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности.
Заданная структура в чугуне получается в результате использования двух технологических операций. После применения первой операции из литого состояния получается половинчатый чугун с шаровидным графитом и аустенитно-мартенситной металлической матрицей. Вторая операция — термическая обработка обеспечивает диссоциацию карбидов, дополнительное выделение дисперсных графитовых включений и получение требуемой аустенитно-ферритной металлической матрицы.
Содержание углерода, ограниченное 3,1-3,3%, обеспечивает получение из литого состояния половинчатого чугуна. При превышении концентрации углерода в чугуне увеличиваются размеры графитовых включений, что неблагоприятно сказывается на механических и эксплуатационных свойствах. Углерод является сильным графитизирующим элементом и при превышении указанной концентрации будет препятствовать формированию цементита в структуре чугуна. При уменьшении содержания углерода в чугуне менее 3,1% возрастает вероятность полного подавления процесса первичной графитизации, что приводит к формированию структуры белого чугуна, которая удлиняет процесс графитизирующего отжига и приводит к неравномерному распределению графитовых включений.
Кремний наряду с углеродом способствует графитизации чугуна. Процентное соотношение этих элементом в чугуне определяется углеродным эквивалентом: C э =С (%)+0,3 Si (%), который должен соответствовать эвтектическому составу
С э =[4,3-4,4]. При соблюдении такого условия возрастает количество эвтектических графитовых и цементитных колоний, и структура чугуна по сечению изделия получается более однородной. При графитизирующем отжиге кремний способствует диссоциации карбидных включений. Снижение содержания кремния менее 3,0% приводит к образованию белых чугунов, а при увеличении его содержания выше допустимого уровня в структуре чугуна образуются силикокарбиды, резко повышающие хрупкость и снижающие вязкость термообработанного чугуна.
Основным карбидообразующим элементом в составе чугуна, обеспечивающим получение половинчатой структуры, является молибден. Содержание в чугуне молибдена в интервале 1,5-1,7 способствует получению в структуре легированного цементита (Fe, Мо) 3 С. Повышение концентрации Мо свыше указанной концентрации приводит к возникновению карбидов молибдена — Мо 2 С, которые при графитизирующем отжиге не диссоциируют и сохраняются в структуре, понижая уровень ударной вязкости.
Комплексное легирование Ni и Мо повышает устойчивость аустенита в верхней температурной области термокинетической диаграммы его превращения, что позволяет избежать появления в конечной структуре чугуна продуктов перлитного превращения. Легирование чугуна этими элементами увеличивает прокаливаемость чугуна, что способствует выравниванию структуры по сечению отливки.
Содержание никеля в указанных пределах способствует появлению в конечной структуре чугуна аустенита. При кристаллизации никель в основном концентрируется в аустените, который при последующем охлаждении отливки в литейной форме частично трансформируется в мартенсит. Графитизирующий отжиг обеспечивает частичную гомогенизацию аустенита. В связи с тем что никель обладает ограниченной подвижностью в гранецентрированной решетке аустенита, в структуре сохраняются области с повышенной концентрацией этого элемента, что позволяет стабилизировать аустенитную структуру при охлаждении и сохранить ее в конечной металлической матрице чугуна. Кроме того, при кристаллизации никель, также как углерод и кремний, способствует графитизации чугуна, и несоблюдение указанных пределов концентрации приведет к получению на первой стадии структуры белых или графитизированных чугунов, которая неблагоприятно влияет на распределение структурных составляющих после термической обработки.
Легирование чугуна производится в электропечи при его выплавке, при этом обеспечивается наилучшее усвоение легирующих элементов из вводимых лигатур и точное получение заданного химического состава. Никель и молибденсодержащая лигатура загружаются в печь с исходными шихтовыми материалами, а ферросилиций вводится в конце плавки, перед выпуском расплава из печи, что усиливает инокулирующий эффект.
Магний в чугуне обеспечивает получение сфероидальной формы графита при кристаллизации и способствует образованию шаровидной формы графитовых включений при графитизирующем отжиге. Использование для модифицирования комплексной лигатуры, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), позволяет получить мелкодисперсные графитные включения в процессе кристаллизации чугуна. Дополнительное использование в комплексной лигатуре силикобария повышает графитизирующую способность расплава. Процентное соотношение вводимой в расплав комплексной лигатуры к массе обрабатываемого металла при модифицировании должно соответствовать 0,04-0,06% остаточного содержания магния в отливках.
Содержание серы ограничено 0,01-0,012%, что обусловлено, во-первых, требуемой концентрацией остаточного содержания магния, и во-вторых, в структуре не допускает получение крупных сульфидных включений, которые снижают пластические свойства чугуна.
Концентрация марганца принята на уровне примеси, количество которого в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами.
Фосфор в чугуне является вредной примесью. При повышении его содержания свыше 0,06% возможно образование фосфидной эвтектики, которая снижает пластические свойства и ударную вязкость чугуна. Помимо этого фосфор, являясь сильноликвирующей примесью, может в процессе кристаллизации приводить к возникновению участков микроструктуры, насыщенных карбидообразующими элементами. В таких участках формируется легированный цементит и специальные карбиды, обладающие высокой устойчивостью, которые сохраняются в конечной структуре изделий после графитизирующего отжига.
Сравнительно низкая температура сфероидизирующего модифицирования 1370-1400°С способствует получению в чугуне дисперсной графитной фазы. Низкотемпературная разливка в сырые песчано-глинистые формы обеспечивает существенное переохлаждение на начальной стадии кристаллизации, что приводит к формированию половинчатых структур чугуна.
Получение на начальной стадии из литого состояния половинчатой структуры очень важно, так как последующая стадия термической обработки заготовок формирует дифференцированные концентрационные области в структуре чугуна. Разное содержание основных легирующих элементов (Ni, Mo и Si) в металлической матрице приводит к формированию аустенитно-ферритных структур после термической обработки. В областях с повышенным содержанием никеля, которые ранее были заняты аустенитом, и после термообработки сохраняется аустенитная металлическая матрица. В областях, возникающих в местах диссоциации карбидов и мартенсита, образуется феррит. Диссоциация карбидов, происходящая при графитизирующем отжиге, приводит к выделению мелкодисперсных включений графита компактной и шаровидной формы, которые понижают плотность чугуна, и в связи с малыми размерами способствуют увеличению ударной вязкости.
Графитизирующий отжиг необходимо проводить в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой, в таком случае структура получается более однородной по сечению.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой, состоящей из дисперсных графитных включений сфероидальной формы и аустенитно-ферритной матрицы, которые в сочетании с перечисленными технологическими приемами и составом чугуна обеспечивают высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению и могут широко использоваться в различных отраслях машиностроения.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.
Плавку чугуна проводят в индукционных плавильных электропечах, а его модифицирование комплексной лигатурой, при сливе расплава в ковш. Отливки получают путем заливки расплава чугуна в сырые песчано-глинистые формы. Отливки охлаждают до комнатных температур и выбивают из форм. Далее их подвергают графитизирующему отжигу в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой.
Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными микроструктурой и свойствами.
Пример. В индукционной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун. При температуре расплава 1390°C его сливали в 25-ти кг ковш, в который предварительно засыпали мелкофракционную комплексную лигатуру (2,5% от массы расплава), состоящую из 70% магнийсодержащего модификатора ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86) и 30% силикобария SIBAR22 (ТУ 082-001-72684889-06). Лигатуру в ковше для предотвращения всплытия и снижения шлакообразования нагружали стальной высечкой.
Из модифицированного чугуна получали пробные заготовки с различной толщиной стенки по сечению от 10 до 45 мм, путем заливки его в сырые песчано-глинистые формы.
После трех исследований химического состава различных заготовок было определено, что чугун имел следующее содержание элементов, (в мас.%):
| углерод | 3,1-3,2 |
| кремний | 3,2-3,3 |
| марганец | 0,25 |
| магний | 0,05-0,055 |
| молибден | 1,5-1,55 |
| никель | 2,7 |
| сера | 0,01 |
| фосфор | 0,06 |
| железо | остальное. |
Из заготовок изготавливались шлифы, по которым изучали микроструктуру. Исследование показало, что во всех исследуемых шлифах наблюдается структура половинчатого чугуна с равномерно распределенными эвтектическим цементитом и мелкими графитными включениями шаровидной формы (средний диаметр включений 10-20 мкм). Металлическая матрица состояла из 45-55% аустенита и 45-55% мартенсита.
После этого производили графитизирующий отжиг заготовок в печи при температуре 1000°C с выдержкой 4,5 час и последующим охлаждением в печи вплоть до комнатных температур. Исследование микроструктуры показало, что во всех частях заготовок после термической обработки произошла диссоциация цементита и сформировалась аустенитно-ферритная структура с мелкодисперсными графитными включениями.
За счет уменьшения длительности термической обработки удалось сократить технологический процесс производства на 3-4 часа по сравнению с прототипом, что благоприятно сказалось и на снижении себестоимости полученных заготовок.
Механические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей: в =560-610 МПа; 0,2 =420-450 МПа; =22-28%; КС +20°C =150-170 Дж/см 2 ; 277-286 НВ.
Механические свойства ферритного чугуна, принятого в качестве прототипа: в =510-660 МПа; =21-25%; KCU +20°C — 125-140 Дж/см 2 .
Как видно из сравнения характеристик, пластические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей превосходят свойства чугуна прототипа с упрочненной ферритной матрицей.
Кроме того, заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить дифференцированную мелкодисперсную микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна. Присутствие в структуре метастабильного аустенита позволяет при эксплуатации изделий из такого чугуна использовать эффект деформационного упрочнения остаточного аустенита, для улучшения прочностных показателей.
1. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. Вареник П.А. — Киев: Наук. думка, 1986. — 248 с.
2. Способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Макаренко К.В. Патент № 2250268 РФ. Бюл. № 11, 20.04.2005. МКИ C21C 1/10, C22C 37/04, C21D 5/00.
3. Чугун, способ его получения и способ термической обработки отливок из него. Сильман Г.И., Камынин В.В., Харитоненко С.А. Патент № 2267542 РФ. Бюл. № 01 10.01.2006. МКИ C21C 1/10, C21D 5/00.
Источник
