комплексный модификатор

Формула изобретения

1. Комплексный модификатор, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.:

Карбид кремния	0,2-76	Борид вольфрама	0,2-70
Медь	0,2-57	Карбид бора	0,1-45
Силицид магния	0,2-47	Нитрид титана	0,5-60
Карбид титана	0,1-51	Борид титана	0,1-50
Кальций	0,1-56	Карбид циркония	0,2-59
Карбид вольфрама	0,1-52	Нитрид циркония	0,5-40
Нитрид бора	0,5-28	Борид циркония	0,1-25
Карбид ванадия	0,3-39	Нитрид кремния	0,2-70
Карбид ниобия	0,5-46	Борид ниобия	0,5-15
Нитрид церия	0,5-27	Борид хрома	0,1-65
Силицид хрома	0,1-81	Карбид магния	0,2-35
Карбид тантала	0,3-28	Нитрид магния	0,5-20
Нитрид алюминия	0,5-49	Борид магния	0,2-15
Борид молибдена	0,4-71	Карбид церия	0,1-50
Карбид молибдена	0,4-52	Силицид церия	0,2-40
Борид ванадия	0,1-36	Борид церия	0,1-45

2. Комплексный модификатор по п.1, который используют для внепечного модифицирования чугуна или сталей или цветного литья.

3. Комплексный модификатор по п.1, который используют при изготовлении кирпича или резины или ткани.

4. Комплексный модификатор по п.1, компоненты которого плакируют смесью твердых углеводородов метанового ряда.

5. Комплексный модификатор по п.2, расход которого на 1 т чугуна или стали или цветного литья составляет 150-1500 г.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейному производству, в частности к ковшовому или внутриформенному модифицированию чугуна, сталей и цветного литья для повышения прочностных, износостойких и пластических свойств изделий, являющейся актуальной задачей всех стран.

Ресурсосбережение - одна из самых главных задач, решаемых на всех предприятиях сообщества. Это обусловлено постоянно растущими ценами на железорудное сырье, другие материалы и, как следствие, на металл. На машиностроительных, металлургических и других предприятиях применяется большое количество различных марок чугуна, стали и цветного литья для изготовления сменно-запасных деталей, оборудования и инструментов.

Наиболее сильные модификаторы - Cr, Ва, Са.

Si, Al, С - обладают графитизирующими свойствами, однако немного увеличивают первичный аустенит и слабо влияют на чистоту межзеренных границ вторичных структур, но улучшают литейные свойства, а именно жидкотекучесть, а также снятие отбела (цементитной составляющей).

Нерастворимые модифицирующие добавки имеют свои особенности и это является критической оценкой их влияния.

Так, например, введения и расплав тугоплавких частиц можно рассматривать как центры кристаллизации, это происходит, если на поверхности возникнет зарождение кристаллов первичной фазы, зависящее от свойств частицы и их размера, и важным является взаимодействие их с расплавом. Это соединение (частица - твердая фаза - расплав) является устойчивым, когда свободная энергия системы уменьшается.

Следует отметить, что величина оболочки металлической фазы на поверхности частицы во многом зависит от соотношения термодинамических свойств модификатора и расплава, т.е. чем выше разница между температурами плавления модификатора и металла расплава, тем больше его эффективность. Также важно электронное сродство модификаторов и расплава, т.е. модификаторам необходимо иметь металлический тип проводимости.

Данные для оценки модифицирующей эффективности некоторых тугоплавких соединений приведены в Таблице 1.

Таблица 1
Соединение	Температура плавления, К	Растворимость в расплаве, %	Энтальпия кДж/моль	Тип проводимости
SiC	3080-разлагается	-	48	Металлический
we	3046-разлагается	3,5	60	Металлический
BN	3240	Нет	83	Полупроводниковый
TaN	3360-разлагается	Хим. реакция	99	Металлический
VC	2970	3,0	103	Металлический
NbC	3870	1,0	134	Полупроводниковый
TaC	4270	0,5	140	Металлический
TiN	3220	нет	149	Металлический
TiCN	3290	нет	155	Металлический
TiC	3340	нет	156	Металлический
ZrN	3250	нет	175	Металлический
ZrC	3690	нет	180	Металлический

Из приведенных данных в этой таблице мы видим, что для приготовления модификаторов нового поколения (МНП) в комплексных соединениях наиболее приемлемыми являются добавки с инокулирующим действием на основе соединений Ti и Zr. Карбид кремния (SiC) является графитизирующим компонентом и относится к разлагаемым соединениям (SiC=Si+C).

Работа многокомпонентных соединений в МНП зависит от процесса растворения, кристаллизационного роста, коагуляции, дисперсности первичных и вторичных структур, влияющих на графитизацию, кинетических особенностей поведения частиц в расплаве, электронного строения, физических свойств входящих элементов.

Огромное значение в (разработке) комплексных МНП для различных видов литья (чугун, сталь, цветное, центробежное, непрерывное, космическое, машиностроительное и т.д.) имело исследование теплофизических свойств с помощью симплекс-решетчатого планирования, важно было определить критериальную активность модификаторов, учесть все многообразие явлений, протекающих в расплавах, учесть минимальные и максимальные значения тех или иных свойств. (см. табл.2)

Критериальная оценка модифицирующей эффективности растворимых модификаторов Таблица 2

На дисперсность первичного аустенита

Х.Э.

Na

Li

Mg

Ca

Се

Sr

Ba

Y

La

Sc

Zr

Ti

Hf

Al

Si

С

Та

Кo×10 3

9,9×10 3

9,8×103

3,1×103

2,0×103

1,9×103

9,9×10 2

9,0×102

7,0×102

4,2×102

4,0×102

26,0

2,5

2,0

-9,0

-20,5

-21,0

-45,0

На величину отбела и дисперсность графитной фазы

Х.э.

Sr

Ba

Al

Ca

Si

Na

Li

С

Се

La

Y

Mg

Sc

Zr

Hf

Ti

Та

K2×103

1,77

1,70

1,50

1,18

1,0

0,43

0,43

0,35

Малые добавки ( 1,1)

0

-0,24

-0,24

-0,3

-0,65

На структуру и чистоту границ металлической матрицы

Х.Э.

Ca

Sr

Ba

Се

Y

La

Mg

Al

Si

Zr

Hf

С

Ti

Sc

Та

Li

Na

k1×103

15,4

10,0

9,5

6,3

5,1

4,7

4,4

2,8

2,5

2,3

2,3

-

2,2

2,0

1,8

0,6

0,6

К_о - дисперсность первичного густения всех элементов в таблице;

К ₂ - величина отбела и дисперсность графитной фазы;

K₁ - влияние на структуру металлической фазы.

Применение комплексных МНП на машиностроительных, чугунолитейных и сталелитейных предприятиях даст возможность получить существенную экономическую прибыль, так как повышение надежности и долговечности изделий ответственного назначения является актуальной задачей, решение которой неразрывно связано с экономикой дефицитных материалов и энергоресурсов. Поэтому вопросы экономного модифицирования комплексным МНП при условии полной или частичной замены дефицитных и дорогостоящих элементов (Мо, V, W, Ni и др.), а также снижение металлоемкости технологических процессов и повышение качества литых изделий являются актуальной задачей и проблема имеет мировое значение для всех государств.

Основными недостатками всех предыдущих разработок являлось значительное окисление этих модификаторов, низкое их усвоение и, как следствие, высокий расход.

Известны технические решения для обработки литейных изделий, например патенты №17647А, №29736А, №28485A С22С 35/00 (авторы Филипчик А.Н. и др.).

Однако все они предназначены для определенного литья, а именно для простого модифицирования, сфероидизирующего модифицирования и инокулирующего модифицирования.

Последние разработки позволили создать уникальный модификатор, состоящий из 32 различных элементов - карбидов, нитридов и боридов, способный работать в стали, чугуне, цветном литье и материалах, повышая их механические и прочностные свойства.

Комплексный модификатор, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.:

Карбид кремния	0,2-76,	Борид вольфрама	0,2-70,
Медь	0,2-57,	Карбид бора	0,1-45,
Силицид магния	0,2-47,	Нитрид титана	0,5-60,
Карбид титана	0,1-51,	Борид титана	0,1-50,
Кальций	0,1-56,	Карбид циркония	0,2-59,
Карбид вольфрама	0,1-52,	Нитрид циркония	0,5-40,
Нитрид бора	0,5-28,	Борид циркония	0,1-25,
Карбид ванадия	0,3-39,	Нитрид кремния	0,2-70,
Карбид ниобия	0,5-46,	Борид ниобия	0,5-15,
Нитрид церия	0,5-27,	Борид хрома	0,1-65,
Силицид хрома	0,1-81,	Карбид магния	0,2-35,
Карбид тантала	0,3-28,	Нитрид магния	0,5-20,
Нитрид алюминия	0,5-49,	Борид магния	0,2-15,
Борид молибдена	0,4-71,	Карбид церия	0,1-50,
Карбид молибдена	0,4-52,	Силицид церия	0,2-40,
Борид ванадия	0,1-36,	Борид церия	0,1-45,

Компоненты МНП плакируются смесью твердых углеводородов метанового ряда.

Комплексные модификаторы нового поколения (МНП) улучшают диффузию в металлах, обладают модифицирующим свойствами, сфероидизирующими и инокулирующими свойствами.

Расход МНП на 1 тонну чугуна, стали и цветного литья составляет 150-1500 г.

Эти элементы изменяют кристаллическую решетку, измельчают структуру, повышают прочностные свойства без наличия краевого отбела в отливках.

Предлагаемые модификаторы были апробированы на заводах Украины, где был получен высокий экономический и модифицирующий эффект.

Обработка предложенными комплексными модификаторами нового поколения (МНП) позволяет повысить эксплутационные показатели отливок для металлургической, машиностроительной, авиационной и космической промышленности.

Основными направлениями комплексных модификаторов нового поколения (МНП) является создание модификаторов, придающих литью и материалам следующие свойства:

МНП-1 - устранение отбела;

МНП-2 - устранение газовых раковин;

МНП-3 - повышение механических свойств;

МНП-4 - повышение износостойкости;

МНП-5 - повышение жаропрочности;

МНП-6 - измельчение структуры;

МНП-7 - устранение термообработки;

МНП-8 - устранение графитизирующей и сфероидизирующей обработки;

МНП-9 - устранение дефектов газоусадочного характера;

МНП-10 - устранение трещинообразования;

МНП-11 - получение высокопрочного чугуна;

МНП-12 - получение высокопластичного чугуна;

МНП-13 - улучшение прочностных и механических свойств цветного литья

МНП-14 - получение антирадиационных свойств материалов (чугуна, стали, кирпича, резины и др.)

Экономика внедрения МНП определяется следующими параметрами:

- снижение брака литья;

- экономия энергоресурсов;

- экономия ферросплавов по их весовому расходу на плавку;

- экологически чистый процесс - меньше выброс угарных газов;

- повышение качества металла по механическим и прочностным свойствам;

- уменьшение засоренности изделий неметаллическими включениями (НВ);

- снижение припусков на механическую обработку;

- устранение термообработки;

- повышение износостойкости изделий;

- повышение жаропрочности изделий;

- увеличение порога хладноломкости изделий (актуально для батарей, задвижек, труб при низких атмосферных температурах);

- изготовление материалов (металл, кирпич, резина, ткань и т.д.) для уменьшения или устранения радиоактивного воздействия;

- увеличение свойств пластичности;

- возможность изготовления штампов из чугуна вместо стали;

- штамповка чугуна, прокатка чугуна т.е. обработка чугуна давлением (трубы, арматура, уголка и т.д.);

- снижение стоимости модификатора (за счет уменьшения необходимого его количества) по сравнению с существующими на 1 т литья в 10-100 раз.

Экономика внедрения МНП - это получение чугуна с физическими свойствами сталей и др. материалов, плюс экономия энергоресурсов, экономия дорогостоящих лигирующих металлов при производстве и получение высококачественных изделий на более высоком техническом уровне.