Способ модифицирования чугуна

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при изготовлении отливок повышенной износостойкости из серого и отбеленного чугуна. Способ включает обработку расплава плакированной парафином смесью ультрадисперсного порошка оксида железа с порошком алюминия и графита, при этом в расплав дополнительно вводят порошок молибдена в количестве 0,4-0,5% от массы расплава с размером частиц 10-100 мкм. Изобретение позволяет повысить эффективность усвоения модификатора и экономичность процесса модифицирования, а также увеличить износостойкость отливок в 1,5 раза. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при изготовлении отливок повышенной износостойкости из серого и отбеленного чугуна.

Известно применение малых количеств (0,01-0,1%) упрочняющих добавок ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких бескислородных соединений типа карбидов, боридов, нитридов (патент РФ 2069702, кл. С 21 С 1/00, С 22 С 35/00, В 22 D 27/20; 27.11.96).

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является внутриковшевое модифицирование чугуна низкого качества плакированной парафином смесью для получения высокопрочного чугуна, состоящей из УДП оксидов металлов IV- VIII групп (60-70 масс.%) с добавкой порошков алюминия (20-25%) и углеродсодержащего материала (10-15%), вводимой в расплав в количестве 0,008% от массы металла (патент РФ 2195502, кл. С 21 С 1/00, 1/10, С 22 С 35/00; 27.12.2002 г. Бюл. №36).

Недостаток - незначительное повышение износостойкости отливок, полученных известным способом.

Целью предлагаемого изобретения является повышение износостойкости отливок из серого и отбеленного чугуна.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе модифицирования чугуна, включающем обработку расплава плакированной парафином экзотермической смесью УДП оксида железа, порошка алюминия и углеродсодержащего материала, в расплав дополнительно вводят порошок молибдена с размером частиц 10-100 мкм в количестве 0,4-0,5% от массы расплава.

Поскольку молибден является тугоплавким металлом, для его активного растворения требуется высокая температура расплава.

Однако при использовании УДП, обладающего кроме высокой дисперсности также интенсивно развитой поверхностью, создаются реальные предпосылки для активирования окислительно-восстановительных реакций между оксидом железа, алюминием и углеродсодержащим материалом. Обе реакции протекают со значительным выделением тепла, т.е. суммарный алюминокарботермический процесс создает локальный перегрев расплава (до 2800°С) в зоне частиц экзотермической смеси. В этой зоне происходит активное растворение в металле (10-100 мкм) частиц молибдена. В результате возрастает эффективность его усвоения, что позволяет расходовать небольшие количества добавки (порядка 0,5% от массы расплава).

Однородность отливок, эффективность процесса модифицирования, количество центров кристаллизации чугуна увеличиваются также за счет перемешивания газами, образующимися в результате реакций алюминокарботермии и разложения плакирующего агента.

Применение высокодисперсной экзотермической смеси и молибдена дает возможность проводить обработку расплава при сравнительно низких температурах плавильной печи.

Пример. Предложенный способ опробовали при обработке серого чугуна (3,1-3,3% С, 1,8-2,0% Si, 0,5-0,9% Mn, 0,02-0,03% S, 0,1-0,2% Р, 0,1-0,2% Cr) для получения износостойких помольных шаров. В ваграночной печи расплавляли исходный чугун и перегружали в разливочный ковш на 200 кг. В струю металла добавляли плакированные парафином таблетки экзотермической смеси УДП оксида железа с порошками алюминия и графита, затем порошок молибдена с частицами 10-100 мкм в количестве 0,3-0,6% от массы расплава. Обработку проводили в течение 3-5 мин.

Таблетки экзотермической смеси готовили по следующей технологической схеме: вначале получали УДП оксида железа, на вибростенде проводили совместный помол порошков алюминия и графита и рассевали на сите 105. Затем в течение 2-х часов смешивали все полученные порошки на валковой мельнице, в смесь добавляли парафин, нагревали до расплавления, охлаждали и формовали дозированное количество экзотермической смеси. Дисперсный порошок молибдена получали путем дробления в струйной мельнице и рассевали на сите.

Модифицированный чугун разливали в кокили для изготовления помольных шаров.

Износостойкость отливок определяли на машине УИМ-12 по истиранию шара о твердосплавной диск.

Величину поверхностной твердости по Роквеллу определяли на противоположных участках отливок. При введении молибдена в расплав она возрастала незначительно: на 1-2 ед. HRC. Однако разброс данных по различным участкам поверхности уменьшился, что свидетельствует о большей однородности отливок.

Из центральной части шаров вырезали образцы в виде диска толщиной 3 мм для исследования макро- и микроструктуры и фазового состава сплавов.

Характеристики сплава изучали в 4 областях диска (в центре, на равных расстояниях между центром и краем диска, у края образца).

Фазовый состав чугуна и высоту основного пика интенсивности α-железа определяли рентгенофазовым методом на дифрактометре ДРОН-2,0 с CuKα-излучением на никелевом фильтре.

Структуру нетравленых шлифов изучали на оптическом микроскопе Neophot при увеличении от 100 до 320.

Результаты экспериментов по износостойкости приведены в таблице.

Таблица
Номер пробы	Модификатор	Состав модификатора, % от массы	Износостойкость, г/мин
Экзотермическая смесь	молибден
1	Известный	0,008	-	0,1308
2	-	0,008	0,3	0,1245
3	Заявляемый	0,008	0,4	0,0917
4	Заявляемый	0,008	0,5	0,0893
5	-	0,008	0,6	0,0891

Рентгеноструктурный и фазовый анализы показали, что в модифицированном чугуне кроме α-железа и карбидов Fe₃C и FeC обнаружены дисперсные кристаллики ε-карбида типа ε - Fе₃С, наличие которого приводит к дисперсному упрочнению железоуглеродистых сплавов. ε-карбид когерентно связан с решеткой металла, о чем свидетельствует резкое увеличение в этой зоне основного пика интенсивности α-железа.

Структура полученного чугуна оказалась сходной с мартенситной структурой стали, легированной большими количествами молибденсодержащих соединений, отпущенной при высоких температурах (500-600°С).

Возникновение частиц специального карбида и появление мартенситной структуры привели к росту стойкости чугуна к износу в 1,5 раза.

Изобретение позволяет повысить эффективность усвоения модификатора расплавом чугуна, что приводит к применению небольшого количества вводимого молибдена.

Нижний предел концентрации молибдена установлен, исходя из требований величины износостойкости отливок.

Содержание его в расплаве выше 0,5% нецелесообразно, т.к. износостойкость далее практически не меняется, а стоимость продукции растет за счет повышения расхода материала.

Предложенный способ экономически эффективен в связи с использованием малых количеств УДП и молибдена и отсутствием дополнительных энергозатрат на перегрев расплава чугуна.

1. Способ модифицирования чугуна, включающий обработку расплава плакированной парафином смесью ультрадисперсного порошка оксида железа с порошком алюминия и графита, отличающийся тем, что в расплав дополнительно вводят порошок молибдена в количестве 0,4-0,5% от массы расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в расплав вводят порошок молибдена с размером частиц 10-100 мкм.