комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом

Формула изобретения

Комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, содержащий магний, кальций, алюминий, кремний, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец, оксид магния и оксиды РЗМ, а в качестве РЗМ - лантан, иттрий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний	0,5-10
кальций	0,1-10
алюминий	0,1-10
кремний	30-80
сумма иттрия и церия	0,1-15
лантан	0,001-10
марганец	0,1-15
оксид магния	0,001-5
сумма оксидов РЗМ	0,001-10
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к черной металлургии, в частности к составу модификаторов для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом.

Известен «Модификатор для чугуна» (а.с. 1590481, МПК С22С 35/00), используемый при производстве чугуна с вермикулярным графитом, содержащий магний, кальций, редкоземельные металлы, алюминий, углерод, цирконий, кремний, железо, азот и титан.

Однако данное изобретение имеет следующие недостатки:

- в составе присутствуют десферодизаторы графита (титан, цирконий), которые, накапливаясь в возврате чугуна, приводят к увеличению расходных характеристик для стабильного получения чугуна с вермикулярным графитом;

- наличие азота ухудшает механическую обрабатываемость чугуна;

- время сохранения эффекта модифицирования не превышает 15 минут.

Заявляемое техническое решение направлено на стабильность производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, снижение литейных напряжений и повышение теплопроводности чугуна.

Для этого комплексный модификатор для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, содержащий магний, кальций, алюминий, кремний, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит марганец, оксид магния и сумму оксидов РЗМ, а в качестве РЗМ - сумма иттрия и церия и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний 0,5-10, кальций 0,1-10, алюминий 0,1-10, кремний 30-80, сумма иттрия и церия 0,1-15, лантан 0,001-10, марганец 0,1-15, оксид магния 0,001-5, сумма оксидов РЗМ 0,001-10 и железо остальное.

Ведение в состав комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом магния менее 0,1% не обеспечивает воздействия на образование графита в виде вермикулярной или компактной формы, а при введении магния более 10% происходит формирование шаровидного графита и повышенное переохлаждение в чугуне, что вызывает образование карбидов.

Наличие в составе кальция менее 0,1% не обеспечивает свою основную функцию - связывание серы, как нежелательного элемента в чугуне; наличие же кальция более 10% значительно снижает жидкотекучесть чугуна, повышая шлакообразование.

Содержание алюминия менее 0,1% не обеспечивает необходимого количества центров кристаллизации графита в чугуне, а при содержании алюминия свыше 10% значительно ухудшаются технологические свойства чугуна - жидкотекучесть, формозаполняемость, происходит образование оксида алюминия, вызывающего подкорковую пористость в отливках.

Менее 30% кремния в смеси повышает необходимую температуру чугуна для усвоения модификатора, снижает растворимость и не обеспечивает равномерного распределения в структуре модификатора остальных элементов, введение свыше 80% кремния нецелесообразно, так как ухудшает способ производства модификатора, повышается вязкость при разливке модификатора на кристаллизующие валки, повышается неоднородность структуры модификатора.

В качестве редкоземельных металлов используют иттрий, церий и лантан, при этом количественное значение иттрия и церия объединено общим интервалом (сумма иттрия и церия), а пределы лантана указаны отдельно.

Наличие менее 0,1% суммы иттрия и церия не обеспечивает совместно с магнием формирование вермикулярной формы графита, а более 15% создает значительное переохлаждение в чугуне, в результате чего графит переходит в химические соединения (Fe ₃С и более сложные карбиды) и прекращается формирование вермикулярного графита.

Добавление в состав лантана менее 0,001% не влияет на видоизменение в чугуне исходной пластинчатой формы в вермикулярную или компактную форму, а добавление более 10% лантана в сочетании с другими активными элементами (магнием, церием, иттрием) нецелесообразно, поскольку качественного улучшения вермикулярной формы графита не происходит.

Введение в состав комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом менее 0,1% марганца не обеспечивает основную функцию в составе модификатора - повышение растворимости в чугуне, а при введении более 15% марганца прекращается эффект улучшения растворимости модификатора в чугуне.

Наличие оксида магния менее 0,001% не обеспечивает усиления эффекта вермикуляризации графита в сочетании с другими элементами (магний, церий, иттрий, лантан), более 5% оксида магния в составе модификатора ухудшает равномерность распределения активных элементов в модификаторе, что ослабляет эффект вермикуляризации графита в чугуне.

Введение оксидов редкоземельных металлов (оксиды иттрия, церия и лантана) менее 0,001% не обеспечивает стабилизации вермикулярной формы графита в чугуне под воздействием активных элементов (магний, иттрий, церий, лантан), более 10% оксидов редкоземельных металлов блокируют активные элементы (магний, иттрий, церий, лантан), препятствуя равномерному образованию вермикулярного графита в чугуне.

Железо обеспечивает технологичность производства комплексного модификатора для производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом и является его металлической основой.

Отличительной особенностью заявляемого химического состава является наличие активных вермикуляризирующих графит элементов, а именно магния, лантана, суммы иттрия и церия, действие которых стабилизируется наличием оксидов магния и суммы РЗМ в сочетании с кальцием, алюминием и марганцем, без применения десферодизаторов графита (титан, цирконий). Сочетание активных элементов (магний, лантан, сумма иттрия и церия) и их оксидов позволяет увеличить эффект сохранения модифицирующего действия («живучесть») до 30 минут с момента взаимодействия модификатора с жидким металлом до момента заливки модифицированным чугуном литейных форм.

Модификатор изготавливают в виде быстроохлажденных пластин («чипс-модификатор») толщиной до 3 мм. Толщина модификатора обеспечивает однородность структуры модификатора и равномерность распределения элементов в модификаторе, а также создает оптимальные химические, кинетические и термодинамические условия усвоения модификатора в чугуне, в широком интервале температур от 1170 до 1600°С при отсутствии пироэффекта и выплесков металла из ковша.

Фракционный размер частиц пластин модификатора составляет 0,1...50 мм, именно такой диапазон обеспечивает спокойное устойчивое усвоение модификатора в чугуне без повышенного шлакообразования.

Эффективность действия предлагаемого модификатора проверена в опытно-производственных условиях литейного цеха на исходном чугуне, содержащем мас.%: углерод 3,8...4,0; сера 0,014...0,017; марганец 0,35...0,60; кремний 1,70...1,95; хром 0,06...0,09; никель 0,06...0,08; медь 0,06...0,08; титан 0,015...0,019; фосфор 0,04...0,06.

Модифицирование проводили в открытых ковшах чайникового типа. Емкость ковша 2,2 тонны. Модификатор засыпали на дно ковша. Фракция модификатора 0,1...50 мм. Толщина пластин модификатора 3 мм. Температура модифицирования 1480...1500°С. Расход модификатора 0,6% от массы жидкого чугуна. Для устранения отбела в чугуне в ковш добавили 0,6% графитизирующего модификатора - ФС75. Заливку форм проводили при температуре 1440...1460°С.

Литейные напряжения определяли на пробах-решетках, теплопроводность измеряли на установке ИТС-400 (образцы диаметром 15 мм и высотой 30 мм).

Составы предлагаемого и известного модификаторов приведены в табл.1, а свойства чугуна на их основе - в табл.2.

Использование заявляемого химического состава позволяет повысить стабильность производства отливок из чугуна с вермикулярным и компактным графитом, а именно:

- увеличить время сохранения эффекта модифицирования в 1,7...2,0 раза за счет введения в состав модификатора оксида магния и суммы оксидов редкоземельных металлов;

- снизить литейные напряжения в 1,2...1,4 раза за счет отсутствия в составе модификатора титана, циркония и за счет наличия в модификаторе марганца, который повышает растворимость в чугуне;

- повысить теплопроводность чугуна в 1,4...1,6 раза за счет более равномерной структуры вермикулярного графита, обеспечиваемой наличием оксидов магния и редкоземельных металлов.

Заявляемое техническое решение имеет ряд преимуществ:

1. Модификатор имеет низкую температуру усвоения чугуном - от 1170°С.

2. Имеет эффект сохранения модифицирования до 30 минут.

3. Отсутствие в составе модификатора десферодизаторов (титана, циркония, азота) не препятствует параллельному производству в цехе чугуна с вермикулярным графитом и чугуна с шаровидным графитом.

Таблица 1
Состав модификатора	Содержание в модификаторе, мас.%
	Mg	Са	Ва	сумма Y и Ce	La	Al	Si	С	Zr	N	Ti	Fe	MgO	сумма (РЗМ)2O 2	Mn
1	3,5	0,1	-	5,4	0,4	0,1	50	-	-	-	-	остальное	0,5	2,1	2,4
2	2,8	1,2	-	6,2	0,6	0,5	46	-	-	-	-	остальное	1,3	0,8	1,7
3	0,1	7,5	-	10,4	0,7	2,1	49	-	-	-	-	остальное	4,4	0,001	8,9
4	9,7	0,2	-	0,1	0,001	8,8	38	-	-	-	-	остальное	4,9	3,7	12,7
5	2,4	9,9	-	4,9	9,6	1,2	56	-	-	-	-	остальное	0,001	4,5	2,9
6	0,9	0,9	-	14,8	1,8	1,4	42	-	-	-	-	остальное	0,9	8,1	2,1
7	5,5	0,9	-	5,9	4,1	1,5	35	-	-	-	-	остальное	2,9	1,6	0,9
8	3,8	-	-	7,1	2,2	9,9	47	-	-	-	-	остальное	0,1	9,7	5,2
9	3,1	0,6	-	4,9	2,0	0,5	78	-	-	-	-	остальное	0,3	0,9	3,1
10 известный	2,1	1,2	3,2	3,2	-	0,5	58	0,31	2,10	0,008	0,12	остальное	-	-	-
11 известный	2,8	0,2	0,6	1,8	-	3,2	46	0,02	0,08	0,09	1,3	остальное	-	-	-
12 известный	0,4	-	4,4	4,7	-	2,5	46	0,10	3,10	0,06	1,1	остальное	-	-	-

Таблица 2
Свойства чугуна	Характеристики чугуна с модификатором состава
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
										известный	известный	известный
Литейные	0,92	0,95	0,84	0,91	0,86	0,89	0,87	0,90	0,88	1,1	1,2	1,1
напряжения,
кг/мм2
Теплопроводность,	0,158	0,162	0,164	0,149	0,161	0,159	0,163	0,157	0,160	0,105	0,104	0,102
кал/см·с·град
Предел
прочности	380	350	350	420	400	440	360	380	390	300	300	350
при
растяжении,
мПа
Относительное	2,2	2,4	2,5	2,0	2,0	1,8	2,3	2,2	2,2	2,0	2,0	1,6
удлинение,
%
Время сохранения	26	27	30	32	29	26	30	32	31	15	14	16
эффекта
модифицирования, мин