Лигатура

 

Изобретение относится к металлургии черных металлов и может широко использоваться при производстве чугунов и сталей для получения деталей в тракторостроении и машиностроении. Предложена лигатура, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: медь 7 - 45, никель 1,2-30, хром 0,15 - 30, марганец 0,20 - 0,50, алюминий 0,05 - 0,50, кремний 0,15 - 1,5, углерод 0,05 - 1,3, молибден 0,1 - 0,5 и железо остальное, при соблюдении условий C+Si+Al+Mn+Mo ≅ 2,5. Техническим результатом изобретения является получение лигатуры с высокой химической однородностью, низкой склонностью к рассыпаемости, высокой способностью к грануляции, в том числе мелких фракций. При использовании предложенной лигатуры при выплавке чугуна и стали повышается процент усвоения легирующих компонентов и выход годного сплава в целом. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии черных металлов и может использоваться при производстве чугунов и сталей для изготовления деталей тракторостроения и машиностроения.

Известно использование в качестве легирующего компонента при производстве чугунов лигатур, использованных в качестве модифицирующей смеси с целью повышения прочностных характеристик чугуна [1] или используемых в качестве добавки для микролегирования [2] с целью улучшения литейных свойств (плотность, горячая твердость и др.). Недостатком известных составов лигатур является ограниченная область их использования, сложность технологии выплавки составов чугунов с высокой степенью усвоения микродобавок дефицитных легирующих элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является лигатура для легирования чугунов и сталей, содержащая (мас.%) на основе железа Cu до 40, C до 4, Si до 5, Cr до 2, Ni, Ti, Al до 1 каждого.

Недостатки известной лигатуры проявляются в неоднородности по химическому составу при ее выплавке, что усложняет технический процесс при производстве чугуна и стали, а ограничения по содержанию никеля и хрома сужают область ее использования, в особенности при производстве качественных чугунов и сталей, предназначенных для деталей ответственного назначения.

Кроме того, неоднородность по химическому составу лигатуры приводит к самораспаду ее отдельных составляющих при хранении и перевозке.

В настоящей заявке поставлена задача разработать состав лигатуры широкой области использования с высокой химической однородностью, с низкой склонностью к рассыпаемости, с высокой способностью к грануляции, в том числе мелких фракций, а при легировании чугуна и стали повышению усвоения химических компонентов и повышению выхода годного сплава в целом.

Поставленная задача достигается тем, что известная лигатура, содержащая медь, никель, хром, магний, алюминий, кремний, углерод, железо, согласно изобретению, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь - 7,0 ... 45 никель - 1,2 ... 30 хром - 0,15 ... 30 марганец - 0,20 ... 0,50 алюминий - 0,05 ... 0,50 кремний - 0,15 ... 1,50 углерод - 0,05 ... 1,3 молибден - 0,1 ... 0,50 железо - остальное
при этом соблюдаются условия, что C + Si + Al + Mn + Mo < 2,5.

Заявленный уровень концентрации углерода, марганца, кремния, алюминия, молибдена и их суммы определен экспериментально и обусловлен достижением стабильности как товарно-потребительских и эксплуатационных свойств лигатуры, так и влиянием их на механические характеристики сталей и чугунов, выплавленных с использованием заявленной лигатуры.

Элементы указанной выше группы являются активными раскислителями и легирующими микродобавками, которые за счет влияния на величину зерна, фазовых структурных составляющих, на состояние межфазовых границ и дисперсионное упрочнение твердых растворов, обеспечивают тот уровень потребительских свойств деталей машин и механизмов, который необходим в каждом конкретном случае.

Увеличение концентрации углерода, марганца, кремния, алюминия, молибдена или суммы выше заявленных пределов нецелесообразно, так как увеличивает количество карбидной и нитридной фаз сверх необходимого количества для повышения прочности лигатуры и получаемой из нее стали и чугуна. Кроме этого, нарушается равновесная пропорция твердой и жидкой фаз при кристаллизации лигатуры, приводящей к химической неоднородности за счет ликвационных процессов ухудшения процесса грануляции материала лигатуры, а в конечном итоге - чувствительности лигатуры к гидратации и самопроизвольному распаду ее отдельных структурных составляющих при хранении или при транспортировке.

Существенную роль в группе заявленных элементов играет молибден. В указанных концентрациях и отношениях к группе элементов наблюдается активное влияние на его "чистоту" границ фазовых составляющих лигатуры и границ зерна стали и чугуна. Молибден "блокирует" границы фазовых и структурных составляющих от выделения вредных примесей, содержащих серу и фосфор, а также способствует образованию карбидных и нитридных фаз не на границах зерна в чугунах и сталях, а в их объеме на дефектах типа "дислокации", "плоскости скольжения" и т.п. Повышение содержания молибдена выше заявленных концентраций нерационально по технико-экономическим показателям и поставленным задачам предлагаемого состава лигатуры.

Заявленный химический состав содержит различные предельные, по сравнению с известной лигатурой, концентрации никеля, углерода, кремния, а также повышенное "нижнее" содержание меди и "верхнее" содержание хрома. Введение указанных концентраций в сплав никеля, меди и хрома приводит к заметному снижению температуры плавления сплава, что увеличивает его перегрев перед выпуском, уменьшая его химическую неоднородность, и позволяет использовать расплав лигатуры при внепечной обработке жидкой стали и чугуна, что позволяет экономить расходы на технологическое тепло.

Главное, однако, состоит в том, что медь, никель и хром уменьшают активность элементов, склонных к ликвации, например, кремния и фосфора в сплаве, сдерживая развитие фронтальной или дендритной и карбидной ликвации этих компонентов при его кристаллизации. С другой стороны, уменьшение активности элементов типа фосфора в лигатуре уменьшает вероятность образования (при наличии влаги) в объеме сплава газообразного PH₃, который выделяясь из расплава, разрушает его с образованием большого количества некондиционной мелочи.

Важным моментом является тот факт, что увеличенное содержание никеля, меди при повышенном содержании кремния повышает вязкость сплава и резко уменьшает его рассыпаемость. Повышенная, по сравнению с известной, концентрация в лигатуре хрома и никеля при наличии меди дает возможность расширить область ее использования для производства чугуна и сталей различного класса назначения: от малоуглеродистых низколегированных, качественных конструкционных до аустенитных коррозионностойких и жаропрочных сталей, чугунов и сплавов.

В целом заявленный уровень химических компонентов лигатуры способствует выравниванию фазового и структурного состава получаемого легирующего материала при производстве его в виде гранул, уменьшению его потерь при выплавке (за счет технологичности материала) и угара химических элементов лигатуры при использовании ее для легирования стали и чугуна; способствует сохранению физических и гранулометрических характеристик (размер, плотность, прочность и т.д.) при длительном хранении лигатуры.

Сопоставительный анализ заявленного и известного составов лигатур показывает, что предлагаемая композиция характеризуется совокупностью существенных признаков, а именно, отличием качественного содержания ингредиентов (никель, кремний, углерод), структурным отношением ингредиентов и дополнительным содержанием молибдена (качественный состав) - все это является достаточным для достижения поставленной задачи и обеспечиваемого изобретением технического результата. Таким образом предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил использования совокупности существенных признаков, используемых в предлагаемом решении, по их функциональному назначению для достижения поставленной задачи. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Примеры выполнения:
В лабораторных условиях в 50 кг индукционной печи выплавлены сплавы различного химического состава известной лигатуры (табл. 1 поз. N 1) и сплавы заявленной лигатуры оптимального и запредельных составов. В таблице 2 приведены сравнительные результаты технологических и эксплуатационных свойств конкретного состава лигатуры и стали, выплавленной с ее использованием. Анализ экспериментальных данных указывает на то, заявленный состав лигатуры обеспечивает достижение поставленной задачи изобретения. В промышленных условиях в электропечи выплавлена лигатура заявленного состава (табл. 1 поз. N 13). Лигатура в гранулированном виде поставлена на Челябинский тракторный завод и использована для выплавки высококачественного серого чугуна для отливок металлоемких (0,5 тн), сложной конфигурации и разностенных деталей блока двигателя трактора.

Изготовление лигатуры в промышленности и использование ее для изготовления деталей тракторостроения затруднений не вызывает, получены требуемый уровень технологических и эксплуатационных характеристик.

Источники информации:
1. Авт. свидетельство N 1461022.

2. Патент РФ N 2020182.

3. Патент РФ N 2017853.

Формула изобретения

Лигатура, содержащая медь, никель, хром, марганец, алюминий, кремний, углерод и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит молибден при соотношении компонентов, мас.%:
Медь - 7 - 45
Никель - 1,2 - 30
Хром - 0,15 - 30
Марганец - 0,20 - 0,50
Алюминий - 0,05 - 0,50
Кремний - 0,15 - 1,5
Углерод - 0,05 - 1,3
Молибден - 0,1 - 0,5
Железо - Остальное
при соблюдении условий C + Si + Al + Mn + Mo ≅ 2,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2