RU2003098C1

RU2003098C1 - Способ получени заданных механических свойств чугуна в отливках

Info

Publication number: RU2003098C1
Authority: RU
Inventors: Иван Кузьмич Кульбовский
Original assignee: Иван Кузьмич Кульбовский
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1993-11-15

Abstract

Использование: изобретение относитс к металлургии , в частности к разработке способа контрол механических свойств чугуна на стадии жидкого металла при плавке или перед заливкой его в литейные формы и получени заданных механических свойств чугуна в отливках. Сущность изобретени способ включает в себ отбор пробы жидкого чугуна на химический анализ и проведение его анализа и замера температуры и определение nj этим данным и по типу и количеству модификаторов по полученным математическим зависимост м или разработанным на их базе номограммам механических свойств чугуна в стенках конкретных отливок. Положительный эффект повышаетс точность анализа при определении механических свойав чугуна на стадии жидкого металла и обеспечиваетс получение заданных механических свойств чугуна в стенках конкретных отливок, снижаетс продолжительность анализа и доводки жидкого чугуна до заливки его в формы и расход модификаторов и довавок.

Description

Изобретение относитс к металлургии. а именно к разработке способа контрол механических свойств чугуна на стадии жидкого металла при плавке или перед заливкой его в литейные формы и получени заданных механических свойств чугуна в отливках .

Известен способ контрол механических свойств чугуна (Справочник по чугунному литью. - Л.: Машиностроение, 1978, с.50-51), заключающийс в испытании образцов , изготовленных из литых образцов или готовых отливок.

Недостатком этого способа контрол механических свойств чугуна вл етс установление их испытанием образцов после получени отливок, что исключает возможность оказывать вли ние на формирование механических свойств чугуна в жидком состо нии и получать его с заданными механическими свойствами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу вл етс способ контрол жидкого металла. Он заключаетс в следующем: отбираетс технологическа проба жидкого чугуна из плавильной печи или из ковша перед заливкой его в литейные формы; производитс охлаждение технологической пробы по заданному режиму и записываетс с помощью ЭВМ крива ее охлаждени , при этом одновременно определ етс разность между кривой охлаждени технологической пробы и индифферентного вещества и полученна дифференциальна крива охлаждени сравниваетс с имеющейс в пам ти ЭВМ эталонной дифференциальной кривой охлаждени чугуна, обладающего заранее заданными структурой и механическими свойствами; при наличии отклонени полученной кривой охлаждени от эталонной проводитс ее сравнение с помощью схиме- ющимис в ее пам ти кривыми ох ж-дени чугуна со степенью сфероидизации графита менее эталонной, и при совпадении одной из них устанавливаетс дополнительное количество присаживаемого в чугун, содержащего церий модификатора с целью корректировки его структуры и свойств.

Недостатки известного способа следующие .

1. Не обеспечиваетс точность анализа. Анализ базируетс на сравнении вида кривой охлаждени выплавл емого чугуна с видом кривых охлаждени чугунов с заранее заданными степенью сфероидизации графита и свойствами. Но из ГОСТ 3443-87 и ГОСТ 7293-85 вытекает, что чугун с одной и той же степенью сфероидизации графита может иметь прочность от 350 до 1000 МПа

и твердость НВ от 140 до 360. Вид же кривых охлаждени чугунов определ етс при одних и тех услови х охлаждени количеством выдел ющейс теплоты кристаллизации,

котора определ етс типом и обьемом кристаллизующихс фаз. Но при одном и том же типе и объеме их фирма может быть разной, например графитна фаза может выдел тьс в виде включений пластинчатого, шаровидного или вермикул рного графита, что приводит к получению разных механических свойств чугуна. При одних и тех же степени сфероидизации графита и его объема в чугуне, легирование его металлической

основы также сильно измен ет его свойства . Поэтому только по виду кривой охлаждени и степени сфероидизации графита чугуна невозможно точно установить его механические свойства.

2. Не обеспечиваетс точность получени заданных механических свойств чугуна. Поскольку выплавка анализируемого чугуна проводитс со значительным сдвигом во времени по сравнению с выплавкой чугунов,

кривые охлаждени которых заложены в пам ти ЭВМ, то это предопредел ет разные услови их производства (разные партии шихтовых материалов, разные химический состав и температура чугуна, химический со0 став и фракционность модификаторов), которые сильно вли ют на его структуру и свойства, в силу чего точно воспроизвести такие же кривых охлаждени , как имеющиес в пам ти ЭВМ, не представл етс воз-5 можным и поэтому нельз точно получить чугун с заданными свойствами.

3.Увеличение продолжительности анализа и доводки расплава и расхода модификаторов . В силу отмеченных в п.2 разных

0 условий производства выплавл емого чугуна и чугунов, кривые охлаждени которых заложены в пам ти ЭВМ, потребуетс проведение нескольких анализов и дополнительных модифицирований с целью

5 приближени вида кривой охлаждени анализируемого чугуна к эталонной, в силу чего увеличиваетс врем анализа и доводки расплава и расход модификаторов.

4.Нетехнологичность способа. Приме- 0 нение дополнительного модифицировани

жидкого чугуна в ковше модификатором с церием вл етс не технологичным, т.к. дл этого требуетс очень высока температура и конкретный стабильный химический со- 5 став жидкого чугуна (Высококачественные чугуны дл отливок, М.: Машиностроение, 1982, с. 153). Это трудно обеспечить в ковше, его можно достигать лишь в плавильной печи, дл чего необходимо металл из ковша сливать в нее дл дополнительной доводки,

что удлин ет, усложн ет и удорожает процесс доводки расплава до заливки его в форму.

5. Высока стоимость и ограниченность применени способа. Способ базируетс на применении ЭВМ и дополнительного прибора и оператора дл проведени термического анализа, что предопредел ет большие первоначальные затраты Выполнение же анализов и их интерпретаци может производитьс лишь специально обученным оператором , а при смене марки чугуна или типа отливки требуетс нова разработка программ дл ЭВМ, что предопредел ет и высокие текущие затраты.

Поскольку подавл ющее большинство плавильных отделений литейных цехов в насто щее врем не оснащены ЭВМ, то и применение данного способа анализа в них невозможно .

Исход из отмеченных выше недостатков известного способа, аналогичные способы определени механических свойств чугуна на основе термического анализа, как это вытекает из анализа технической и патентной литературы, не примен етс , они примен ютс лишь дл определени эвтек- тичности чугуна или содержани в нем углерода и кремни .

Цель изобретени -.разработка способа контрол формирующихс механических свойств чугуна на стадии жидкого металла при его плавке или перед заливкой его в литейные формы, обеспечивающего получение заданных механических свойств чугуна в отливках, повышение точности и экспрес- сности анализа, снижение расхода модификаторов и добавок.

Цель достигаетс тем. что способ контрол формирующихс механических свойств чугуна на стадии жидкого металла базируетс на определении его химического состава и температуры. Он включает е себ отбор пробы жидкого чугуна на химический анализ, проведение химического анализа, замер его температуры, а затем определение по этим данным и типу и количеству примен емых модификаторов по разработанным математическим зависимост м или номограммам механических свойств чугуна в стенках конкретных отливок .

Математические зависимости и разработанные на их основе номограммы устанавливают количественную зависимость механических свойств чугуна от его химического состава и температуры заливки, типа и количества модификаторов, толщины стенки отливки. Они получены на основе большого объема проведенных экспериментальных исследований и их обработки с применением математико-статистических методов и расчетов на ЭВМ. Эти зависимости имеют следующий вид: иъ 202-70 (С-3,2) - 21.2(51-2) +

+ 26.7(Мп-1,15) +12,5(5-0,1) + 120(Р- -0,15) + 90(Си-0,35)+12,1 (N1-0,44) + + 0,7 (АЫ,74)+ 36,4(0-0,45) + + 31,8(V-0,34) + 100 (Mo-0,12) + + 230 (W-0.2J + 121,3 (TI-0.22)-15 (Sn-0,28) -74,3(Sb-0,25) + 25(FeSi- 0,2) + 45,5(CaSI-0,2)-1,7(d-49) + 0,16 (ТЗ-1350)МПа,(1);

HB 206-56,5 (С-3,2) - 14,5 (SI-2) + +30(Mn-1,15) + 7.5 (5-0.1) +50 (P-0,15) + 60 (Си-0,35) + 6,1 (N1-0.44)- -2,2 (AM,74) + 34,2 (Cr-0,45) + + 100 (V-0,34) + 146 (Mo-0,12) + f- 113(W-0,2) + 116,5 (Ti-0,22) + + 34,5 (Sn-0,28) + 120 (Sb-0,25) - 17(FeSI-0,2)- 13(CaSi-0,2)- 1,13 (u-49) + 0,14(Тз-1350) кг/мм2, (2). В уравнени х (1) и (2) C,Si,Mn.S,P,Cu,Ni - устанавливаемое химическим анализом содержание элементов в жидком чугуне, %; Fe,Si,Ca,Si - тип и количество вводимых в жидкий чугун модификаторов, %;

d - диаметр стенки отливки, мм (плоска стенка толщиной I переводитс в d по зави- симости d 2t); Тз - устанавливаема замером температура заливки жидкого чугуна в литейные формы, °С.

На основе уравнений (1) и (2) разработаны номограммы на фиг.1-7 и алгоритмы и программы расчетов на ЭВМ.

По уравнени м (1) и (2) или номограммам фиг. 1-6 определ ют оь и НВ серого чугуна, вл ющегос наиболее распространенным конструкционным литейным спла- вом.

В насто щее врем в литейных цехах широко примен етс химический экспресс- анализ состава жидкого чугуна с помощью электронных квантометров и других совре- менных способов, позвол ющих определ ть в течение 2-3 мин до 50 элементов. Столь же быстро осуществл етс и замер температуры жидкого чугуна с помощью термопар погружени , потенциометров и других современных способов.

По данным химанализа и замера температуры жидкого чугуна механические свойства его определ ютс по зависимост м (1) и(2)или номограммамфиг.1-6 втечение 1-2 мин. продолжительность же всего анализа составл ет до 5 мин, в силу чего предлагаемый способ относитс к экспрессному контролю механических свойств чугуна на стадии жидкого металла.

На основе экспрессного определени механических свойств чугуна на стадии жидкого металла осуществл етс при необходимости корректировка его состава и температуры в печи или осуществл етс модифицирование в ковше с целью получени заданных механических свойств его в отливках.

Предлагаемый способ может примен тьс также на стадии проектировани техпроцесса дл выбора химического состава, модифицировани и температуры заливки чугуна, обеспечивающих получение заданных механических свойств в стенках конкретных отливок. Он может примен тьс также и дл неразрушающего контрол механических свойств готовых отливок из чугуна по данным его химанализа, температуры заливки и типу и количеству примен ющихс модификаторов.

Новым в предлагаемом способе по сравнению с известным вл етс контроль формирующихс механических свойств чугуна на стадии жидкого металла по данным его химического состава и температуры по математическим зависимост м (1) и (2) и разработанным на их основе номограммам фиг.1-6.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретени новизна ,

Дл установлени соответстви за вл емого технического решени критерию существенные отличи был проведен поиск известных в науке и технике решений, могущих содержать существенные отличительные от прототипа признаки. В поиске были использованы источники информации, предусмотренные п. 1.08 Инструкции ЭЗ-2-74.

Анализ изобретени по существенным отличи м по сравнению с известными в науке и технике решени ми показал, что оно отличаетс от них тем, что в известных способах механические свойства чугуна определ ютс либо механическими испытани ми образцов, полученных из стандартных литых заготовок или готовых отливок, либо с помощью термического анализа кристаллизующегос чугуна, а в предлагаемом способе механические свойства чугуна определ ютс на стадии жидкого металла при плавке или перед заливкой его в литейные формы или в готовых отливках по данным химического анализа и замера температуры заливки жидкого чугуна и примен емом типе и количестве модификаторов по математическим зависимост м (1) и (2) или разработанным на их основе номограммам фиг. 1-6.

Сравнительный анализ отличительных признаков предлагаемого и известного способов показал отсутствие сходства в этих признаках, что позвол ет сделать вывод о соответствии за вленного технического решени критерию существенные отличи .

Дл реализации предлагаемого способа

провели серию плавок в индукционной электропечи чугуна различного химического состава с применением различного модифицировани и легировани его и получали из

0 него в песчано-глинистых формах отливки с разной толщиной стенок при различной температуре их заливки. Химический состав жидкого чугуна определ ли экспрессным способом и замер ли его температуру.

5 Из полученных отливок изготовл ли образцы и определ ли механические свойства чугуна в них в соответствии с ГОСТ 24805-81 и ГОСТ 24806-81.

По данным химанализа жидкого чугуна

0 и замера его температуры и примен ющемус типу и количеству модификаторов по уравнени м (1) и (2) и номограммам на фиг.1-6 определ ли механические свойства чугуна в изготовл емых отливках на стадии

5 жидкого металла. Дл достижени заданных свойств отливок производили корректировку химсостава жидкого чугуна и его модифицирование добавками и модификаторами , тип и количество которых определ 0 ли по зависимост м (1) и (2) и номограммам фиг.1-6.

Результаты проведенных исследований приведены в табл.1.

Пример. Приготовл ют 5-ть различ5 ных шихт дл получени чугуна химическим составом отливок 1-5 (табл.1). Чугун из приготовленных шихт выплавл ют в индукционной электропечи. После расплавлени каждой шихты отбирают пробу жидкого чу0 гуна на химанализ и в течение 2-3 мин производ т его экспресс-анализ. Одновременно термопарой погружени , подключенной к потенциометру дл регистрации температуры, замер ют в течение 1-2 мин

5 температуру жидкого чугуна. По данным химанализа и замера температуры по номограммам фиг.1-6 или уравнени м (1) и (2) в течение 1-2 мин определ ют механические свойства чугуна в отливке. Продолжитель0 ность анализа составл ет по 5 мин. В случае недостижени заданных свойств чугуна в печь ввод т дополнительно добавку или в ковш при сливе в него жидкого чугуна ввод т дополнительно модификаторы, тип и ко5 личество которых определ ют по номограммам на фиг.1-6 или зависимост м (1) и (2), после чего в ковше замер ют температуру жидкого чугуна, берут пробу на химанализ и заливают его в форму. Затем из каждой отливки выгачивают образцы дл

испытаний механических свойств чугуна известным способом.

Данные анализов и испытаний отличок 1-5 приведены о табл.1; последовательность и продолжительность выполнени операций анализа - в табл,2.

Отливка 1. По данным химанализа (табл.1) по графику зависимости по содержанию в жидком чугуне С и Si (фиг.1) определ ют оь 242 МПа. Ro графику на фиг,2 по содержанию в чугуне Mn,S,P, данным замера температуры Тэ и по толщине стенки отливки d 33 мм определ ют поправочные коэффициенты Кмп 0,87. Ks 0.97, Кр 1,01, Кт 0,97, Kd 0,97, исход из чего определ ют, что ОЬ 242 0,97 -1,01 0.97х хО,97 222 МПа. Поскольку найденное значение оь (222 МПа) было не менее заданного значени оь (220 МПа), то корректировку состава жидкого чугуна в печи не производ т, а сливают его в ковш, замер ют температуру и заливают в форму. Фактическое значение оь этого чугуна, определенное в отливке 1 путем испытани выточенных из нее образцов, составл ет 245 МПа. Разница определенных значений оь чугуна в отливке 1 по предлагаемому и известному способам составл ет 1,3%, что свидетельствует о высокой точности предлагаемого способа. По данным химанализа на фиг.4 по содержанию в жидком чугуне С и Si определ ют значение НВ 220 кг/мм2. На фиг.5 - по содержанию в жидком чугуне Mn,S и Р и его температуре Т в отливке толщиной d 33 мм определ ют поправочные коэффициенты Кмп 0.98. Ks 0,98, Rp 1.01, Кт 0,99, Kd 0,985, исход из чего определ ют что НВ 220 0,98 0,98х х1.01 0,99 0,985 205 кг/мм2. Поскольку найденное значение НВ (205 кг/мм2) было не менее заданного значени НВ (200 кг/мм2), то корректировку состава жидкого чугуна в печи не производ т . Фактическое значение НВ чугуна этой отливки, определенное известным способом на прессе Бринел , составл ет 212 мг/мм . Разница определенных значений НВ, полученных предлагаемым и известным способами, составл ет 3,3 %, что свидетельствует о высокой точности предлагаемого способа,

Отливка 2. На графике на фиг. 1 устанавливают , что оь 156 МПа , а на фиг.2 - Кмп-1,17, Ks-1.07. Кр 1,07, КТ 1,03, Ка 0,63, исход из чего устанавливают, что 1.17 1,07 1,07 -1,03 -0,63 136 МПа, аналогично на фиг.4 и 5 определ ют НВ 163 кг/мм . Поскольку найденное значение ОЬ (136 МПа) менее заданного (150 МПа), а найденное значение НВ (163 кг/мм )

несколько больше заданного (150 кг/мм2), то производ т дополнительное модифицирование жидкого чугуна при сливе его из печи в ковш FeSI, т.к. это обеспечивает, как

видно из фиг.З и фиг,6, повышение прочности и снижение твердости чугуна в отливках и не вызывает технологических затруднений . Повысить оь необходимо было в 150:136 1.1 раза, а снизить НВ-в 163:150

0 1,07 раза, исход из чего на графиках фиг.З и 6 устанавливают, что дл этого необходимо ввести в жидкий чугун 0,4% FeSi. Тогда в соответствии с данными фиг.З и 6 оь 136х х1,05 143 МПа, а НВ 163 0,93 154

5 кг/мм , т.е. они наход тс близко к заданным их значени м.

Фактические значени , полученные испытанием изготовленных из этой отливки образцов, составл ют: оь 151 МПа, НВ

0 160 кг/м2, т.е. не менее заданных. Разница определенных значений, полученных предлагаемым и известным способами составл ет дл ОЬ 5,3%, дл НВ 3,8%, что свидетельствует о высокой точности пред5 лагаемого способа, при этом одновременно обеспечиваетс и высока точность получени заданных свойств отливок.

Аналогичным образом осуществл ют анализ, испытани и получение заданных

0 свойств в отливках 3-5, при этом точность анализа и точность достижени заданных свойств находитс в пределах до 5% (табл.1). Анализ данных табл.1 и 2 показывает следующие преимущества предлагаемо5 го способа по сравнению с известным:

а) повышаетс точность анализа при определении механических свойств чугуна на стадии жидкого металла и обеспечиваетс получение заданных механических свойств

0

чугуна в отливках с высокой точностью;

б)снижаетс на 50% продолжительность анализа и доводки жидкого чугуна до заливки его в форме;

в)снижаетс расход модификаторов и 5 добавок;

г)снижаютс затраты на организацию и проведение контрол жидкого металла;

д)обеспечиваетс широкое внедрение в литейных цехах;

0 е) позвол ет осуществл ть неразрушающий контроль механических свойств готовых отливок;

ж) позвол ет выбирать на стадии проектировани техпроцесса химсостав, модифи5 цирование и температуру заливки жидкого чугуна в формы с целью обеспечени заданных механических свойств отливок. (56) Авторское свидетельство СССР № 1109642,кл. G 01 N 33/20,1984.

Продолжение табл.

Таблица 2

Итого:2031

Модифицирование выполн етс во врем слива жидкого чугуна из печи в ковш введением модификатора под струю жидкого металла;

Модифицирование выполн етс путем слива жидкого чугуна на уложенный на дно ковш модификатор, и дл осуществлени полного его реагировани требуетс не менее 5 мин

Claims

Формула изобретени

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧУГУНА В ОТЛИВКАХ, включающий отбор пробы жидкого чугуна, определение механических свойств и корректировку состава жидкого чугуна модифицирующими добавками, отличающийс тем, что, с целью повышени точности и экспрессности анализа, а также снижени расхода модификаторов, измер ют температуру заливки чугуна, его химический состав, а механические свойства чугуна определ ют по следующим математическим зависимост м: а - 202 - 70(С - 3,3) - 21,2(51 - 2) + 26,7(Мп - 1.15} + 12,5(5 - 0,1) + 120(Р - 0,15) + 90(Си - 0.35) + 12,1(Ni - 0.44) + 0.7(AI - 1,74) + Зб,4(Сг - 0,45) + 31,8{V - 0,34) + 100(Мо - 0,12) + 230(W-0,2) + 121.3(.22)-15(Sn

0,6 o,8 -1,0 ,2 w б a g.o г A .ff з .50 3,2. a JЈ ja

Массова дол кремни , %

П

0

5

0,28) - 74,3(Sb - 0.25) + 25(FeSl - 0,2) + 45,5(CaSi - 0,2) - 1.7(d - 49) + 0,16{Тз - 1350),

МПа;

HB 206 - 56,5(C - 3,20) - 14,5(51 - 2,0) + 30(Mn - 1,15) i 7,5(S - 0,1) + 50(P - 0,15) + 60(Cu - 0,35) + 6.1(NI - 0,44) - 2,2(AI - 1,74) + 34,2(Cr-0,45)+ 100(V-0,34)+ 146(Mo-0,12) M13(W - 0,2) i- 116,5(Ti - 0,22) + 34.5(Sn - 0.28) + 120(Sb - 0,25) - 17(FeSi - 0,2) - 13(CaSi - 0,2) - 1,13(d - 49) + 0,14(T3 - 1350), кг/мм ,

где С, Si, Mn, S, P, Cu, Ni, Al, Cr. Mo, W, Ti, Sn, Sb - содержание элементов в анализируемом чугуне, мае. %;

FeSi, CaSi - тип и количество модификатора , введенного в чугун, мас.%;

Т3 - температура заливки чугуна, С;

d - диаметр стенки отливки, мм, и последующую корректировку состава дл достижени заданных свойств.

«X

а

i

QO

ъ

$шгл

03 0,4 Ц5 0,6 0,7 0.8 0,9 -1,0 4,4 Коэффициент К изменени прочности

3

0,5 0,6 ОЛ ив 0.9 10 И |2 |3 J,1 5 « tf J.3 49 Й5в

г.з

1,2 -/,3 4,4 -1,5 ни разрыв

Ј го

IV ГО УО Л, -I- J- J

ill§ii§

-« JU. Л Л А. «Л -Sr O V

о о -э э Jg

JJJIgi-S. &tiitl

8 g 5 -r&

Hfl, WHo (wr/tue)

S

I

о

о &

;i

0,7 0,6

o,s

ол

0.5

дг Ч

Д5 R6 ОД ив 0,9 0 4.4 W ф -/,5 4 Т 4,8 4,9 н

2.5

ъ.

«

S

8

a

гз