способ модифицирования чугуна и силумина

Формула изобретения

1. Способ модифицирования чугуна и силумина ультрадисперсным порошком, содержащим оксид алюминия Al₂O₃ , характеризующийся тем, что подготавливают ультрадисперсный порошок в виде смеси, дополнительно содержащей карбидоподобную фазу FeAlC_n и гидрооксид алюминия Al(OH)₃ с размером частиц 10²-10³ нм, измельчают смесь в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс и полученный порошок вводят в расплав.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение смеси проводят в магнитном поле напряженностью преимущественно 0,2-0,3 Тс.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение смеси производят путем активного перемешивания и/или виброгрохочения с регулированием размера щели вальцов грохота.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в литейном производстве для модифицирования чугуна и силумина.

Известен способ модифицирования чугунов и сталей (патент РФ № 2122926, «Способ получения порошков, гранул и брикетов активных металлов и сплавов и технологическая линия для его осуществления», МПК B22F 9/04, опубл. 10.12.1998), включающий введение в их расплав порошка, содержащего тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы и вещество-протектор, в котором порошок подвергают механическому воздействию и затем вводят под струю расплавленного металла. Размер частиц порошка составляет не более 0,1 мкм, а смесь тугоплавких дисперсных неметаллических частиц имеет 50-90 мас.% и вещества-протектора остальное. Обработку смеси проводят в инертной атмосфере.

Недостатком является необходимость создания инертной атмосферы.

Известен способ получения чугуна (патент РФ № 2016071, «Способ получения чугуна», МПК С21С 1/00, опубл. 15.07.1994), включающий загрузку шихты в печь, доводку расплава до заданной температуры и модифицирование металла путем последовательного введения модифицирующих смесей, на первом этапе в ковш, на втором в форму. Модифицирование в ковше производят смесью, содержащей соединения тугоплавких металлов, инокулятор в виде ультрадисперсного порошка металла или его соединения, и криолита, в количестве 0,020-0,095% от массы жидкого металла. Модифицирование в форме производят путем введения в расплав смеси, состоящей из кокса и одного или нескольких компонентов из группы силикокальций, ферросилиций, в количестве 0,15-0,45 кг/т соединения тугоплавких металлов, инокулятор вводят в соотношение 100:(1-10), комплексное модифицирование осуществляют в форме коксом совместно с силикокальцием и/или ферросилицием, взятых в соотношении 1:(1-5).

Недостатком способа является технологическая усложненность и большой расход модификатора.

Известен способ получения чугуна с шаровидным графитом (заявка РФ № 93052790 «Способ получения чугуна с шаровидным графитом», МПК B22D 27/20, опубл. 20.11.1996), включающий ввод в жидкий металл магний- и кремнийсодержащих материалов в виде ультрадисперсных порошков, преимущественно силицида магния и карбида кремния с размером частиц 0,01-1,0 мкм и соотношением 1:1-3. Кроме того, ультрадисперсные компоненты плакируются смесью твердых углеводородов, преимущественно парафином.

Недостатком способа является большой расход модификатора.

Известен способ внепечного модифицирования чугунов и сталей (заявка РФ № 2007106678/02 «Способ внепечного модифицирования чугунов и сталей», МПК С21С 1/00, опубл. 20.01.2009), в котором под струю металла или непосредственно в форму во время разливки металла вводят модификатор в виде порошка, который содержит 50-90 мас.% тугоплавких керамических частиц размером не более 0,1 мкм, плакированных веществом-протектором. Модификатор вводят в количестве 0,005-0,1 мас.% в пересчете на тугоплавкие керамические частицы, а в качестве вещества-протектора используют хром или никель или их смесь. Изобретение позволяет уменьшить зерна металла в 2-3 раза, увеличить содержание перлита в металлической основе, изменить формы графитовых включений с пластинчатой на розеточную, в результате чего повышается коррозионная стойкость стали и чугунов в 2-3 раза и их стойкость к абразивному износу в 1,4 раза.

Недостатком способа является высокая стоимость модификатора. Известен способ модифицирования чугуна (патент РФ № 2254377. «Способ модифицирования чугуна», МПК С21С 1/08, опубл. 20.06.2005), который 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. Способ позволяет повысить эффективность усвоения модификатора и экономичность процесса модифицирования, а также увеличить износостойкость отливок в 1,5 раза.

Недостатком способа является высокая стоимость модификатора.

Известен способ модифицирования чугунов и сталей (патент РФ № 2121510. «Способ модифицирования чугунов и сталей», МПК С21С 1/00, опубл. 10.11.1998), в котором в расплав чугунов и сталей вводят модификатор, содержащий тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы и вещество-протектор. Перед введением в расплав под струю расплавленного металла смесь тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора подвергают обработке (одновременному дроблению, активированию и плакированию тугоплавких дисперсных неметаллических частиц) до получения порошка с размером тугоплавких дисперсных неметаллических частиц не более 0,1 мкм, после чего получившийся порошок вводят в расплавленный металл. Порошок получают совместным помолом тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора при следующем соотношении (мас.%): тугоплавкие дисперсные неметаллические частицы 50-90%; вещество-протектор - остальное. Помол смеси тугоплавких дисперсных неметаллических частиц и вещества-протектора проводят в инертной атмосфере.

Недостатками способа являются многочисленность операций при подготовке модификатора и большой его расход.

Известен способ модифицирования жидких металлов и сплавов (патент РФ № 2143008. «Способ модифицирования жидких металлов и сплавов», МПК С21С 7/00, опубл. 20.12.1999) принятый за прототип, включающий модифицирование расплава введением в него дисперсного порошка оксида алюминия Al₂O₃ . Порошок подают с размером частиц 100-200 мкм в количестве 0,005-0,01% от массы расплава, плакированный смесью твердых углеводородов, преимущественно парафином, при этом порошок оксида алюминия после измельчения перед плакированием предварительно обрабатывают в плазмотроне плазменной струей с температурой 1300-1400°С. Способ обеспечивает получение микрокристаллической структуры металла отливок и повышение его физико-механических свойств.

Недостатком способа является сложность подготовки порошка-модификатора с использованием плакирования и обработки плазменной струей.

Задачами предлагаемого изобретения являются упрощение технологии, повышение качества металла и литейных изделий, за счет уменьшения размера частиц порошка-модификатора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что модифицирование чугуна и силумина ультрадисперсным порошком, содержащим оксид алюминия Al₂O₃, проводят путем подготовки ультрадисперсного порошка, в виде смеси, дополнительно содержащей карбидоподобную фазу FeAlC_n и гидрооксид алюминия Al(OH)₃, с размером частиц 10² -10³ нм, при этом измельчение смеси производят в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс, преимущественно 0,2-0,3 Тс, и вводят полученный порошок в расплав металла.

Измельчение смеси проводят путем активного перемешивания и/или виброгрохочения с регулированием размера щели вальцов грохота.

Сущность способа заключается в следующем.

Перед вводом модификаторов, которые представляют ультрадисперсный порошок (УДП) смеси FeAlC_n, Al(ОН)₃, Al ₂О₃ с размером частиц 10²-10 ³ нм в количестве 0,005-0,1 мас.% металла, его подвергают механическому воздействию активным перемешиванием и/или виброгрохочением в магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс, преимущественно 0,2-0,3 Тс. Механическое воздействие (перемешивание и/или виброгрохочение) снимает инертную пленку с поверхности частиц УДП, т.к поверхность любой частицы конденсированного вещества всегда заряжена отрицательно за счет термоэлектронной эмиссии.

Механическое воздействие на твердые частицы вызывает сдвиговые деформации с образованием дислокации, что происходит под воздействием внешнего момента импульса L. В соответствии с принципом Ле Шателье, если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, то состояние равновесия сместится в направлении внутреннего процесса, течение которого ослабляет влияние внешнего воздействия. В системе электронов связи и ионов решетки твердого тела механическим моментом импульса или спином (S=+1/2h), где h - постоянная Планка, обладают электроны. Под воздействием внешнего механического момента электроны на уровне Ферми решетки распариваются, и тело приобретает общий внутренний суммарный механический момент S, который направлен противоположно внешнему механическому моменту L, т.е. в системе «внешняя среда - твердое тело» наблюдается локальное равенство L= S.

Поверхность частиц УДП с некомпенсированными электронами обладает большой реакционной способностью и при вводе в жидкий металл нанопорошки интенсифицируют процесс зарождения твердой фазы и измельчают конечную структуру отливки.

Одновременное наложение механического воздействия и постоянного магнитного поля на УДП перед заливкой металла в формы усиливает эффект распаривания электронов на поверхности наночастиц, что приводит к возрастанию их модифицирующего воздействия на металлы и сплавы.

Сплав Fe-Al-C из исходных компонентов выплавляли в печи Таммана в составе, % мас.: Al (26-32); C (0,8-1,3); Fe (остальное). При кристаллизации сплава образуется сложная карбидоподобная фаза FeAlC_n и карбид алюминия Al ₂C₃. Сплавы такого состава называют алюминиевыми чугунами, в которых углерод находится в связанном состоянии.

Металлографический и рентгенофазовый анализ показал, что карбид алюминия Al₄C₃ легко взаимодействует с влагой воздуха при комнатной температуре по реакции

Al₄C₃+12Н₂O 4Al(ОН)₃+СН₄ .

В результате продукты реакции имеют объем, в 10³ раз больший объема исходных веществ, при этом массивные образцы сплавов рассыпаются в тонкодисперсный порошок с размерами частиц 10²-10³ нм, состоящий из смеси FeAlC_n, Al(ОН)₃, Al₂ О₃.

Пример

Полученным порошком обрабатывался серый чугун состава (мас.%): углерод 3,5-3,6; кремний 1,9-2,2; марганец 0,5-0,6; фосфор 0,25-0,3; сера 0,1-0,13; железо - остальное.

Чугун выплавляли в печи Таммана. Ультрадисперсный порошок, полученный из сплава FeAlC_n в виде фаз Al₂О₃, Al₃C ₄ и FeAlC_n, подвергали механическому воздействию и пропускали через вальцы грохота с регулируемой щелью и индуктивную катушку, которая позволяла достичь напряженности магнитного поля 0,3 Тс, а затем смешивали со струей жидкого металла при заливке в форму.

Результаты экспериментов представлены на чертеже, где на гистограмме размеров включений графита приняты следующие обозначения: 1 - исходный чугун; 2 - обработанный УДП; 3 - обработанный УДП, подвергнутый механическому воздействию; 4 - УДП, обработанный постоянным магнитным полем; 5 - УДП, обработанный механическим воздействием и магнитным полем. Экспериментально установлено, что снижение напряженности магнитного поля менее 0,1 Тс неэффективно, а повышение выше 0,5 не дает приращения эффективности воздействия магнитного поля.

Оценку размеров включений графита осуществляли по ГОСТ 3443-77.

В исходном чугуне длина пластин графита составляла 240-280 мкм (базовый вариант), при совместном влиянии сдвиговой деформации и магнитного поля на УДП длина графитовых включений резко уменьшилась и составила 100-120 мкм, что повышает качество металла. Испытание механических свойств чугуна проводилось по ГОСТ 1497-84 и после предложенной модификации свойства сопротивления деформации повысились с 210-230 МПа (базовый вариант) до 300-330 МПа.

При модифицировании силумина аналогичным путем получены результаты, показанные на гистограмме на чертеже.

Таким образом, предлагаемым способом достигается улучшение качества порошка-модификатора за счет снижения размера его частиц смеси до нанометрового диапазона, что существенно влияет на качество получаемых металлов (чугунов, силуминов). А также упрощается этап подготовки модификатора за счет исключения операций плакирования твердыми углеводородами и плазменной обработки, требующей использования энергоемкого оборудования - плазматрона, что позволяет также снизить затратность способа.