Модификатор

Изобретение относится к металлургии, литейному производству и машиностроению и может быть использовано при производстве отливок серого доэвтектического чугуна, работающих в условиях повышенного износа, например вагонных тормозных колодок, крупных зубчатых колес, деталей брашпиля, цилиндровой гильзы. Модификатор содержит в качестве цирконийсодержащей добавки двуокись циркония (ZrO₂), в качестве кремнийсодержащей добавки - двуокись кремния (SiO₂), в качестве барботирующей добавки - пенопластовую крошку, а в качестве восстановителя - алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 35,0-45,0; ZrO₂ 35,0-45,0; Al 10,0-19,0; пенопластовая крошка до 1,0. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные качества чугунных отливок: износостойкость - на 8-10%, а герметичность - в 1,5-2 раза. 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, литейному производству и машиностроению и может быть использовано при производстве отливок серого - доэвтектического чугуна, работающих в условиях повышенного износа, например вагонных тормозных колодок, крупных зубчатых колес, деталей брашпиля, цилиндровой гильзы (наряду с РЗМ) и т.д.

Использование известных циркониевых модификаторов позволяет получать серый чугун с повышенными механическими характеристиками (пределом прочности, стрелой прогиба и износостойкостью), что, в основном, достигается за счет измельчения структуры.

Однако в ряде случаев при изготовлении деталей, подвергающихся интенсивному износу, требуется особое сочетание износостойкости и герметичности (отсутствие пор) материала при ограниченной твердости. Таким образом, основной проблемой модифицирования серых доэвтектических чугунов цирконием становится повышение износостойкости отливок наряду со снижением количества пор при ограниченной твердости материала.

Известен модификатор [Пат. 2184491 РФ, МПК⁷ С22С 35/00, Лигатура. / В.М. Григорьев, Т.В. Белоус (РФ); ХГТУ (РФ). Опубл. 10.07.2002, Бюл. № 19], включающий кремний, марганец, вольфрам, алюминий, магний, кальций и цирконий. Компоненты содержатся в количестве (мас.%):

Si - 27,0-35,0;

Zr - 19,0-38,0;

W - 0,3-2,8;

Al - 3,0-6,0;

Mg - 2,0-5,0;

Ca - 0-0,2.

Модификатор вводят в количестве 0,05% от веса серого чугуна в ковше.

В известном модификаторе содержание циркония в лигатуре является повышенным, что обеспечивает значительное количество центров кристаллизации графита, его измельчение и уменьшение концентрации напряжений в материале.

Циркониевая добавка легко растворяется в расплаве чугуна.

Достоинством данного модификатора является повышение износостойкости на 20,0%, а также предела прочности на 10,0-20,0% и стрелы прогиба на 2,0-5,0% по сравнению с немодифицированным чугуном. Это обусловлено увеличением содержания циркония в лигатуре, что приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации графита. В свою очередь, увеличение этого числа приводит к измельчению графита и, соответственно, уменьшению концентрации напряжений в материале, что увеличивает износостойкость.

Однако даже повышенная такой лигатурой износостойкость серого чугуна остается недостаточной для деталей, подвергающихся интенсивному износу. Это обусловлено тем, что увеличение содержания циркония и наличие вольфрама приводит к межчастичному отталкиванию и увеличивает расстояния между атомами (ионами) железа и, как следствие, - к увеличению удельного объема жидкой фазы (расплава). Это приводит к росту объемной усадки модифицированного сплава. В свою очередь, значительная усадка увеличивает число пор в сером доэвтектическом чугуне, что снижает износостойкость.

Другим недостатком известного модификатора, снижающим износостойкость за счет повышения пористости чугуна, является его газонасыщенность. Это обусловлено тем, что в процессе производства самой лигатуры она интенсивно насыщается атмосферными газами, что приводит к увеличению содержания водорода до в чугуне.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является модификатор [Пат. 2316608 РФ, МПК С22С 35/00 (2006.01), Модификатор. / В.М.Макиенко, Е.М.Баранов, Н.А.Андреюк, Д.В.Строителев, И.О.Романов (РФ); ДВГУПС (РФ). Опубл. 10.02.2008, Бюл. № 4], включающий кремний-, цирконийсодержащие добавки и алюминий. В качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO₂), цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂) при следующем соотношении компонентов (мас.%):

SiO₂ - 35,0-5,0;

ZrO₂ - 35,0-5,0;

Al - 10,0-20,0.

Модификатор вводят в количестве 0,02% от веса серого чугуна в ковше.

При взаимодействии модификатора с жидким чугуном происходит металлотермическая реакция, в ходе которой цирконий восстанавливается из диоксида и растворяется в расплаве. Константа реакции, определяющая выход циркония, мала из-за относительно малой температуры серого чугуна, выпускаемого из вагранки. Малое количество циркония в сером чугуне (не более 0,005 мас.%) обуславливает достаточное количество центров кристаллизации графита, что приводит к его измельчению и снижению концентрации напряжений в материале.

Наличие циркония и алюминия в расплаве проводит к одновременному раскислению, десульфурации и гидридо- нитридообразованию.

Кроме того, наличие циркония в расплаве обеспечивает интенсивное растворение кремния и марганца в твердом растворе (аустените), приводящее к приросту доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры).

Достоинством вышеописанного модификатора является повышение износостойкости по сравнению с аналогом на 10,0-15,0% при пониженной температуре модифицирования отливок из серого доэвтектического чугуна, работающих в условиях интенсивного износа, и при сохранении высокого уровня механических характеристик. Это обусловлено малым количеством циркония в сером чугуне (не более 0,005 мас.%), что приводит к достаточному измельчению графита и снижению концентрации напряжений в материале, одновременному приросту доли перлита (износостойкой составляющей микроструктуры) и, как следствие, к увеличению износостойкости чугуна.

Кроме того, наличие кислорода в модификаторе приводит к резкому снижению удельного веса модификатора за счет увеличения периодов (межплоскостных расстояний) в кристаллических решетках оксидов. Уменьшение удельного веса модификатора вызывает его всплытие (эффект флотации) с одновременной ассимиляцией растворенных газов, что обеспечивает дополнительную дегазацию серого чугуна, наряду с рафинирующим и дегазирующим действием восстановленного циркония. Дегазация приводит к резкому сокращению числа пор в сером чугуне, что создает дополнительный, ощутимый прирост износостойкости.

Однако при повышенной температуре модифицирования (1460-1480°С), например, при выплавке чугуна в индукционной печи большой емкости или газовой вагранке вязкость чугуна резко снижается, что приводит к увеличению скорости всплытия модификатора. Повышенная скорость всплытия приводит, в свою очередь, к снижению константы металлотермической реакции (уменьшается количество восстанавливаемого циркония), а также к недостаточной полноте дегазации, и соответственно, к увеличению пористости. Это снижает износостойкость модифицируемого материала при повышенной температуре модифицирования.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в разработке модификатора серого чугуна с высокой износостойкостью при повышенной температуре модифицирования и повышенной герметичностью чугунных отливок за счет интенсификации металлотермической реакции путем барботажа компонентов модификатора в расплаве.

Для решения поставленной задачи в модификатор, содержащий кремнийсодержащую и цирконийсодержащую добавки и алюминий, при этом в качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO₂), в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂), дополнительно введена

пенопластовая крошка в качестве барботирующей добавки при следующем соотношении компонентов (мас.%):

SiO₂ - 35,0-5,0;

ZrO₂ - 35,0-45,0;

Al - 10,0-19,0;

пенопластовая крошка - до 1.

Введение пенопластовой крошки в качестве барботирующей добавки отличает заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Благодаря введению в модификатор пенопластовой крошки в качестве барботирующей добавки приводит к повышению износостойкости серого чугуна при высокой температуре модифицирования. Это обусловлено тем, что при взаимодействии пенопласта с расплавом чугуна он претерпевает деструкцию с выделением большого объема газов. Выделяющийся газ перемешивает модификатор, способствуя увеличению реакционной поверхности и резкому росту константы металлотермической реакции. Интенсификация реакции увеличивает количество циркония, переходящего в расплав. Это, в свою очередь, повышает количество перлита в структуре и измельчает графит, что резко повышает износостойкость, а также другие механические характеристики материала.

Причинно-следственная связь «Введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к интенсификации металлотермической реакции» явным образом следует из уровня техники.

Одновременно введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к выделению большого количества газа при деструкции пенопласта, что способствует захолаживанию расплава, приводя к резкому снижению газо-усадочной пористости и, как следствие, к повышению герметичности чугунных отливок.

Причинно-следственная связь «Введение в модификатор пенопластовой крошки приводит к повышению герметичности чугунных отливок» явным образом не следует из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Модификатор включает кремний- и цирконийсодержащую добавки, алюминий и пенопластовую крошку в качестве барботирующей добавки. В качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO₂), в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂). Компоненты выбраны в количестве (мас.%):

SiO₂ - 35,0-45,0;

ZrO₂ - 35,0-5,0;

Al - 10,0-19,0;

пенопластовая крошка - до 1.

Для приготовления модификатора используют циркониевую руду (бадделеит), например, Алгаминского месторождения (Хабаровский край) или месторождений северного Урала и Украины. Минералогический состав бадделеита Алгаминского месторождения приведен в таблице 1.

Таблица 1.
Минералогический состав бадделеита
Компонент	SiO2	Al2O3	Fe2O3	ZrO2	WO3	СaO MgO
Мас.%	46,0-52,0	0,35-0,47	до 0,16	45,0-48,0	до 2	ост.

Для приготовления модификатора ингредиенты выбирают в следующих диапазонах (мас.%):

- бадделеит (циркониевая руда) - 70,0-90,0; что соответствует - 35,0-45,0 ZrO₂ и 35,0-45,0 SiO₂;

- SiO₂ - 13,0-15,0;

- алюминиевая стружка - 10,0-19,0;

- пенопластовая крошка - до 1,0.

Алюминиевая стружка является отходом разделки профиля строительных конструкций. Кварцевый песок взят из Кичигинского карьера.

Модифицирование чугуна производят в ковше, заливая модификатор перегретым ваграночным чугуном. Перемешивание происходит само по себе при всплытии и барботаже модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм.

Пример 1. Для приготовления модификатора берут 150,0 кг бадделеита (что соответствует 45,0% ZrO₂ и 33,0% SiO₂), размалывают в шаровой мельнице, затем в шнековом смесителе, перемешивают с 34,0 кг алюминиевой стружки (19,0%) при добавлении 4,5 кг кварцевого песка SiO₂ (2,5%). Полученную смесь прокаливают в течение 5 часов при температуре 350°С с последующим охлаждением и пакетированием. В процессе пакетирования добавляют 1,0 кг (0,5%) пенопластовой крошки.

Модификатор вводят в количестве 350,0 г на 180,0 кг металла в ковше (0,02% от 180,0 кг). Полиэтиленовый пакет с модификатором помещают на дно ковша, затем в ковш выливают 180,0 кг серого чугуна из газовой вагранки. Перемешивание происходит само по себе при всплытии и барботаже модификатора. После всплытия дают пятиминутную выдержку, после чего шлак удаляют и производят заливку форм.

Примеры 2-3. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150,0 кг бадделеита и 34,0 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.

Пример 4. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 130 кг бадделеита и 34 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.

Пример 5. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150 кг бадделеита и 15 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2.

Пример 6. Серый чугун получают модифицированием без пенопластовой крошки.

Пример 7. Серый чугун модифицируют так, как описано в примере 1. Для получения модификатора в этих примерах берут 150 кг бадделеита и 34 кг алюминиевой стружки, изменяя состав остальных компонентов, как приведено в таблице 2, при этом количество пенопластовой крошки выходит за пределы заявленного интервала.

Таблица 2.
Состав модификатора
Содержание компонента, мас.%	SiO2	ZrO2	Al	Пенопласт
Пример 1	35,5	45,0	19,0	0,5
Пример 2	35,25	45,0	19,0	0,75
Пример 3	35,0	45,0	19,0	1,0
Пример 4	45,0	35,0	19,0	1,0
Пример 5	44,0	45,0	10,0	1,0
Пример 6	35,5	45,5	19,0	-
Пример 7	34,5	45,0	19,0	1,5

Далее производили стандартные трибометрические испытания на трибометрической машине МИ-401 Московского экспериментального завода. Отлитые пробы образцов разламывали и определяли количество пор на одном квадратном сантиметре излома.

Результаты физико-технических показателей модифицированного серого чугуна приведены в таблице 3.

Таблица 3.
Физико-технические показатели чугуна
Характеристики чугуна	Число пор на одном квадратном сантиметре	Износостойкость (убыль потерь веса), %
Пример 1	12,0	40,0
Пример 2	10,0	42,0
Пример 3	8.0	46,0
Пример 4	15,0	38,0
Пример 5	15,0	36,0
Пример 6	22,0	45,0
Пример 7	7,0	45,0

Испытания модифицированного чугуна показывают, что износостойкость чугуна по сравнению с прототипом увеличивается на 8-10%, а герметичность чугуна увеличивается в 1,5-2 раза, что обеспечивает высокие эксплуатационные качества отливок.

Модификатор, содержащий кремнийсодержащую и цирконийсодержащую добавки и алюминий, при этом в качестве кремнийсодержащей добавки выбрана двуокись кремния (SiO₂), в качестве цирконийсодержащей добавки - двуокись циркония (ZrO₂), отличающийся тем, что он дополнительно содержит пенопластовую крошку в качестве барботирующей добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%:

двуокись кремния (SiO2)	35,0-45,0
двуокись циркония (ZrO2)	35,0-45,0
алюминий	10,0-19,0
пенопластовая крошка	до 1,0