Модификатор
Иллюстрации
Реферат
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