способ получения чугуна с различной формой графита

Формула изобретения

Способ получения чугуна, включающий загрузку в печь шихты, состоящей из стального лома, передельного чугуна и углеродсодержащей добавки, проплавление ее под основным шлакообразующим материалом до получения заданного суммарного содержания углерода и кремния в расплаве, перегрев расплава до заданной температуры, введение алюминия с последующей термовыдержкой не более 30 мин, скачивание шлака и модифицирование расплава в ковше силикокальцием в количестве 1,0-1,5% от веса жидкого металла в ковше, отличающийся тем, что в качестве основного шлакообразующего материала используют флюс в количестве 0,3-1,5% от веса жидкого металла, после достижения заданной температуры расплав выдерживают в течение 1-7 мин, скачивают шлак, а алюминий вводят на зеркало металла в количестве 1,2-3,5% от веса жидкого металла, после чего наводят новый слой покровного флюса и производят термовыдержку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно литейному производству, в частности к получению чугунов с различной формой графита и повышенными свойствами для ответственного литья, например отливок гильз цилиндров ДВС, гильз буровых насосов, валов металлургической и мукомольной промышленности, быстроизнашиваемых частей горно-обогатительной техники и дробометно-очистительного оборудования.

Известен способ получения чугуна с вермикулярным графитом, включающий плавку шихты в плавильной печи и обработку полученного расплава добавками, содержащими глобулизирующие и антиглобулизирующие элементы, при этом в качестве добавок используют окомкованную смесь чугунной стружки, бекхоусной и угольной пыли в количестве 5-50 от массы обрабатываемого чугуна (1).

Известен способ получения алюминиевого чугуна с компактным графитом, включающий в себя обработку расплава чугуна смесью алюминия, магнийсодержащего модификатора и криолита с соотношением криолита и алюминия в смеси (0,5...2,5):10 в реакционной камере (2).

Недостатком известного способа является невозможность его использования при центробежном литье.

Известен способ получения чугуна для тонкостенных отливок, включающий расплавление шихтовых материалов, содержащих 0,03...0,4% хрома, перегрев и раскисление расплава, ввод сфероидизаторов и графитизаторов в ковше при выпуске в него расплава и заливку форм. Содержание кремния в шихте поддерживают равным 0,4...0,6 мас.% (3).

Недостатками известного способа являются применение сфероидизирующих модификаторов, не дающих стабильности получения различно-заданных форм графита при центробежном литье, разброс твердости, наличие отбела в различных сечениях отливки и плохая обрабатываемость резанием.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения высокопрочного чугуна с перлитной, феррито-перлитной матрицей и глобулярными включениями графита, включающий загрузку в печь шихты, состоящей из стального лома, передельного чугуна и углеродсодержащей добавки, проплавление ее под основным шлакообразующим материалом до получения заданного суммарного содержания углерода и кремния в расплаве, перегрев расплава до заданной температуры, введение алюминия с последующей термовыдержкой не более 30 мин, скачивание шлака и модифицирование расплава в ковше силикокальцием в количестве 1,0-1,5% от веса жидкого металла (4).

Недостатком известного способа является невозможность получения чугунов с различно-заданной формой графита, разброс твердости, наличие отбела в различных сечениях отливки, плохая обрабатываемость резанием.

Задачей изобретения является получение Fe-C-Al-чугунов с различно-заданной формой графита, с повышенными механическими и физическими свойствами, превышающими свойства Fe-C-Si-чугунов в два и более раз.

Предлагаемый способ получения чугуна отличается от известного (4) тем, что в качестве основного шлакообразующего материала используют флюс в количестве 0,3-1,5% от веса жидкого металла, после достижения заданной температуры расплав выдерживают в течение 1-7 минут, скачивают шлак, а алюминий вводят на зеркало металла в количестве 1,2-3,5% от веса жидкого металла, после чего наводят новый слой покровного флюса.

В таблице представлены результаты плавки чугунов различными способами.

Способ осуществляют следующим образом.

Плавку чугуна производят в любом типе плавильного агрегата, например в высокочастотной индукционной печи с основной футеровкой. В качестве шихты используют стальной лом, передельный низкокремнистый чугун, графитовую стружку. Расплавление ведут под основным шлакообразующим материалом - флюсом, взятым в количестве 0,3-1,5% от жидкого металла до получения чугуна с суммарным содержанием С и Si 3,0-4,0%, перегревают расплав до температуры 1500-1580^oС, выдерживают 1-7 минут, скачивают шлак и вводят алюминий на зеркало металла в количестве 1,2-3,5%, после чего производят термовыдержку в течение 1-30 минут. При выпуске металла из печи производят модифицирование силикокальцием в количестве 1,0...1,5% от веса металла в ковше для наиболее эффективного воздействия на процесс графитизации чугуна.

Использование синтетического низкокремнистого расплава позволяет говорить об Fe-C-Al-системе построения получаемых предлагаемым способом чугунов с различно- заданной формой графита и требуемыми свойствами вместо классической Fe-C-Si- системы.

Осуществление получения гаммы Fe-C-Al-чугунов возможно по предлагаемому способу при эквивалентной замене содержания кремния на алюминий:

- использование синтетической низкокремнистой шихты с целью получения суммарного содержания С и Si в пределах 3,0...4,0%;

- ведение электроплавки в любых типах печей расширяет границы использования (особо качественный чугун выплавляется в ЭДП постоянного тока);

- ведение плавки и перегрев расплава до температуры 1500-1580^oС под основным шлакообразующим материалом (флюсом);

- выдержка 1...7 минут при температуре 1500...1580^oС под шлаком, позволяющим уменьшить окисление алюминия при вводе его в расплав чугуна, тем самым повысив коэффициент усвоения алюминия в чугуне. Положительная роль флюса объясняется его большим химическим сродством к кислороду по сравнению с алюминием, что позволяет за счет термовыдержки произвести более глубокую дегазацию.

Количество порошкообразного флюса до ввода алюминия составляет 0,3... 1,5% от веса жидкого металла и определено экспериментально исходя из условий наиболее эффективного усвоения чугуном алюминия. При меньшем количестве алюминий ошлаковывается и в чугуне не обеспечивается различно- заданная форма графита. Более высокое содержание флюса не ведет к улучшению свойств чугуна.

После скачивания образовавшегося шлака производят ввод алюминия, результатом чего становится эквивалентная замена кремния на алюминий и возникает Fe-C-Al-система построения чугунов. Этому способствует не только дальнейшая высокая температура перегрева и наведение нового покровного слоя флюса, обеспечивающего высокую микрооднородность расплава, полное растворение и равномерное распределение алюминия по объему расплава, но и выдержка расплава при температуре 1500. ..1580^oС в течение 1-30 минут при соблюдении предлагаемых соотношений углерода и кремния до ввода алюминия и дальнейшего содержания алюминия в необходимом процентном содержании в зависимости от предъявляемых к чугунам требований по свойствам. Временная термовыдержка обеспечивает необходимую полноту протекания реакции раскисления чугуна, способствует удалению крупных неметаллических включений (Аl₂O₃), неизбежно возникающих при вводе алюминия, а также образованию мелкодисперсных частиц.

Нижний предел температуры перегрева 1500^oС необходим для достижения требуемой однородности расплава, а выше верхнего предела (1580^oС) увеличение эффекта не наблюдается. В предлагаемых пределах перегрева (1500...1580^oС), продолжительности выдержки (1-30 минут) при наличии покровного флюса (0,3... 1,5%) и алюминия (1,5...2,5%) обеспечивается однородная твердость и структура даже в особо тонкостенных отливках и заготовках (поршневого кольца).

Наличие карбидов (Fe₃CАl_х) и нитридов AIN увеличивают вязкость, прочность, износостойкость и другие свойства у чугуна, уменьшая скорость роста кристаллов аустенита. В итоге при кристаллизации получается более мелкодисперсная структура. Кроме того, обеспечивается чистота расплава по содержанию газов (О₂ и N₂), что позволяет устранить отбел как в фасонных отливках, так и в заготовках, полученных центробежным и непрерывным методами литья даже при перлитной основе структуры, получить предел прочности 350... 1000 Мпа/ мм², твердости НВ 190...400 и в тоже время хорошую обрабатываемость резанием. Наличие колото-витой стружки позволяет производить механообработку на обрабатывающих центрах без вывода из строя последних вследствие отсутствия чугунной пыли.

При переливе в разливочный ковш и соблюдении всех предыдущих операций создается благоприятная ситуация для последующего модифицирования расплава силикокальцием из расчета 1,0...1,5% от веса металла в ковше для обеспечения высокого графитизирующего эффекта, ведущего как следствие к увеличению выхода годного, уменьшению трещин при центробежном и непрерывном литье, повышению механических и эксплуатационных свойств.

Пример. Плавку чугуна осуществляют в высокочастотной индукционной печи с основной футеровкой, используя в качестве шихты стальной лом, передельный низкокремнистый чугун, графитовую стружку с расчетом получения суммарного содержания С и Si в пределах 3,0...4,0%. Расплавление ведут под флюсом в количестве 1,0% от веса жидкого металла. Перегревают расплав до температуры 1550^oС по получению заданно-требуемого химического состава и выдерживают в течение 1-7 минут при указанной температуре, далее скачивают образовавшийся шлак. На зеркало металла вводят алюминий (чушки) из расчета 2,2% от веса жидкого металла с целью получения вермикулярной формы графита.

Наводится новый слой покровного флюса, нагрев до температуры 1550^oС и выдержка в течение 20 минут при указанной температуре. При переливе в разливочный ковш скачивают шлак и в целях стабильности и равномерного распределения графитовых включений производят обработку силикокальцием, подавая его на дно ковша в количестве 1,0% от веса металла в ковше.

Эффект сфероидизации при предлагаемом способе длится до 60 минут. Полученный таким образом чугун имеет свойства, приведенные в табл.1, номер 4.

Чугун, полученный по а.с. 1435609, 1735381, при аналогичных условиях имеет худшие показатели (табл.1, номер 1, 3), чем чугун, полученный заявленным способом.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения Fe-C-Al-чугунов с различной формой графита позволяет создать гамму новых чугунов, способных удовлетворить возросшее требование к ним без применения дорогостоящих легирующих и сфероидизирующих элементов. Указанные чугуны имеют колото-витую стружку без образования графитовой пыли, что позволяет производить их обработку на обрабатывающих центрах без вреда для последних.

Способ позволяет также исключить отбел при центробежном и непрерывном литье, повысить порог обрабатываемости резанием, увеличить твердость до НВ 190...400, предел прочности до 350...1000 МПа/мм, а основу структуры довести до 96% содержания перлита (П96), получить однородность по твердости и структуре в особо тонких отливках. Высокая ударная вязкость позволяет расширить области применения Fe-C-Al-чугунов.

Источники информации

1. Патент РФ 1435609, М.Кл. С 21 С 1/00.

2. Авт.св. СССР 1211299, М.Кл. С 21 С 1/00.

3. Авт.св. СССР 1735381, М.Кл. С 21 С 1/00.

4. Авт.св. СССР 539948, М.Кл. С 21 С 1/00.