СПЛАВ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА ALLOY FOR MODIFICATION OF IRON
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию рафинирующего и модифицирующего сплава для обработки чугуна и улучшения качества отливок.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the creation of a refining and modifying alloy for treating cast iron and improving the quality of castings.
Предлагаемый сплав может быть использован на металлургических, машиностроительных и литейных заводах.The proposed alloy can be used in metallurgical, engineering and foundries.
Известен сплав для раскисления и модифицирования чугуна (А.с. СССР N° 449979, кл. C22 C35/00. Сплав для раскисления и модифицирования чугуна. Б.И. No 42, 1974), содержащий кремний, редкоземельные металлы, стронций, кальций, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мac.%:Known alloy for deoxidation and modification of cast iron (A.S. USSR N ° 449979, class C22 C35 / 00. Alloy for deoxidation and modification of cast iron. B.I. No 42, 1974) containing silicon, rare-earth metals, strontium, calcium , aluminum and iron in the following ratio of components, wt.%:
Кремний 55-80Silicon 55-80
Редкоземельные метал-Rare earth metal
0,1-1,5 лы0.1-1.5 ly
Стронций 0,1-5Strontium 0.1-5
Кальций 0,1-5Calcium 0.1-5
Алюминий 0,1-3Aluminum 0.1-3
Железо ОстальноеIron Else
Недостатком сплава является низкая сфероидизирующая и не стабильная графитизирующая способность при обработке конструкционного серого чугуна при производстве отливок с толщиной стенки менее 3 мм, что приводит к снижению механических свойств и возникновению отбела в отливках. Отсутствие стабильности графитизирующей способности обусловлена сильной зависимостью графитизирующего действия активного элемента стронция даже при незначительных колебаниях содержания в сплаве
алюминия и кальция. Наличие редкоземельных металлов в указанном диапазоне без основного сфероидизирующего элемента - магния не позволяет получать графит глобулярной формы.The disadvantage of the alloy is the low spheroidizing and unstable graphitizing ability in the processing of structural gray cast iron in the production of castings with a wall thickness of less than 3 mm, which leads to a decrease in mechanical properties and the appearance of bleach in castings. The lack of stability of the graphitizing ability is due to the strong dependence of the graphitizing effect of the active element of strontium even with slight fluctuations in the content in the alloy aluminum and calcium. The presence of rare earth metals in the indicated range without the main spheroidizing element - magnesium does not allow to obtain graphite of a globular shape.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является модификатор для чугуна (Патент СССР Ne 1813113, Кл. C22 C35/00. Модификатор для чугуна. Б.И. JVk 16, 1993), содержащий следующие компоненты, мае. %:The closest in technical essence and the achieved effect is a modifier for cast iron (USSR Patent Ne 1813113, CL. C22 C35 / 00. Modifier for cast iron. B. I. JVk 16, 1993), containing the following components, May. %:
Кремний 15-90Silicon 15-90
Стронций 0,1-10Strontium 0.1-10
Кальций менее 0, 1Calcium less than 0.1
Цирконий и/или титан 0,3-10Zirconium and / or titanium 0.3-10
Железо ОстальноеIron Else
Недостатком модификатора является отсутствие воспроизводимости модифицирующего эффекта при обработке чугуна. При содержании в модификаторе менее 0,1 % кальция, на нижнем уровне содержания кремния (15%) и любом сочетании в указанных пределах циркония и/или титана предельная растворимость стронция будет меньше 0,1 % (Ю. А. Агеев, С. А. Арчугов. Исследование растворимости щелочноземельных металлов в жидком железе и сплавах на его основе/ Журнал физической химии. T. LIX. JVs 4, 1985, с. 838 - 841). Модификатор указанного состава не обеспечивает отсутствие отбела в отливках из конструкционных серых чугунов с толщиной стенки менее 3 мм.The disadvantage of the modifier is the lack of reproducibility of the modifying effect when processing cast iron. When the modifier contains less than 0.1% calcium, at a lower level of silicon (15%) and any combination within the indicated limits of zirconium and / or titanium, the maximum solubility of strontium will be less than 0.1% (Yu. A. Ageev, S. A Archugov, Investigation of the solubility of alkaline earth metals in liquid iron and alloys based on it / Journal of Physical Chemistry (T. LIX. JVs 4, 1985, pp. 838 - 841). The modifier of this composition does not ensure the absence of bleach in castings from structural gray cast irons with a wall thickness of less than 3 mm.
Кроме того, отсутствие в составе модификатора сфероидизирующего компонента, также позволяет получать графит только пластинчатой формы.In addition, the absence of a spheroidizing component in the modifier also makes it possible to obtain graphite only in plate form.
Целью изобретения является создание сплава, состав которого обеспечивает получение высоких характеристик прочности и пластичности чу-
гуна при отсутствии отбела в сечениях отливок менее 3 мм, а также необходимую воспроизводимость модифицирующего эффекта.The aim of the invention is to create an alloy, the composition of which provides high strength and ductility characteristics of the alloy guna in the absence of bleached in sections of castings less than 3 mm, as well as the necessary reproducibility of the modifying effect.
Цель достигается тем, что сплав дополнительно содержит магний и редкоземельные металлы при следующем соотношении компонентов, мае. %:The goal is achieved in that the alloy additionally contains magnesium and rare earth metals in the following ratio of components, May. %:
Кремний 45-78Silicon 45-78
Магний 0,1-7,0Magnesium 0.1-7.0
Редкоземельные металлы 0,1-2,2Rare earth metals 0.1-2.2
Стронций 0,1-2,0Strontium 0.1-2.0
Кальций 0,1-1,5Calcium 0.1-1.5
Алюминий 0,3-2,0Aluminum 0.3-2.0
Цирконий 0,1-2,0Zirconium 0.1-2.0
Железо ОстальноеIron Else
Дополнительное введение магния и редкоземельных металлов позволяет получать включения графита в чугуне сферической формы, что приводит к повышению прочности и пластичности чугуна. Кроме того, если в сплаве одновременно содержатся магний и цирконий, то их совместное действие позволяет усилить графитизирующий эффект и уменьшить отбел в отливке.An additional introduction of magnesium and rare-earth metals makes it possible to obtain graphite inclusions in spherical cast iron, which leads to an increase in the strength and ductility of cast iron. In addition, if magnesium and zirconium are simultaneously contained in the alloy, then their combined action makes it possible to strengthen the graphitizing effect and reduce the bleaching in the casting.
Соотношение компонентов в предлагаемом сплаве подобрано таким образом, что, благодаря взаимному влиянию указанных элементов обеспечивается надёжная воспроизводимость результатов модифицирования. Такой эффект достигается даже при попадании в сплав до 1,0 % производственных шлаков, состоящих из оксидов и сульфидов металлов, и до 1,0 % в сумме неактивных металлов, являющихся примесями в шихтовых материалах.
Нижние и верхние пределы содержания компонентов сплава выбраны, исходя из достижения поставленной цели, а также из экономических соображений.The ratio of the components in the proposed alloy is selected in such a way that, due to the mutual influence of these elements, reliable reproducibility of the modification results is ensured. This effect is achieved even if up to 1.0% of industrial slag consisting of metal oxides and sulfides gets into the alloy, and up to 1.0% in the amount of inactive metals that are impurities in charge materials. The lower and upper limits of the content of alloy components are selected based on the achievement of the goal, as well as economic considerations.
Нижний предел содержания кремния в сплаве обусловлен тем, что при содержании в нем менее 45 %, модифицирующие свойства этого элемента проявляются слабо. Кроме того, кремний является растворителем других компонентов сплава. Увеличение содержания кремния в сплаве более 78 % нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему повышению модифицирующей способности этого элемента, а только к увеличению стоимости сплава.The lower limit of the silicon content in the alloy is due to the fact that when the content in it is less than 45%, the modifying properties of this element are weakly manifested. In addition, silicon is a solvent for other alloy components. An increase in the silicon content in the alloy of more than 78% is impractical, since it does not lead to a further increase in the modifying ability of this element, but only to an increase in the cost of the alloy.
Редкоземельные металлы (РЗМ) вводят в сплав для стабилизации результатов сфероидизирующего модифицирования вследствие нейтрализации примесей цветных металлов деглобуляризаторов (Pb, Sn, Sb и др.) путём связывания их в мелкодисперсные соединения, которые, к тому же, являются дополнительными центрами графитизации. Сульфиды и оксисульфиды РЗМ, обладая высокой плотностью, сравнимой с плотностью жидкого чугуна, также служат центрами кристаллизации графита, усиливая графитизи- рующий эффект. При содержании РЗМ в сплаве менее 0,1 % их влияние на свойства чугуна малозаметно, содержание РЗМ выше 2,2 % нецелесообразно в связи с затуханием увеличения графитизирующей способности этих металлов и удорожанием слава. Среди индивидуальных РЗМ наиболее эффективны лантан и неодим.Rare earth metals (REM) are introduced into the alloy to stabilize the results of spheroidizing modification due to the neutralization of non-ferrous metal impurities of deglobulinizers (Pb, Sn, Sb, etc.) by binding them to finely dispersed compounds, which, moreover, are additional centers of graphitization. REM sulphides and oxysulphides, having a high density comparable with the density of molten iron, also serve as centers of graphite crystallization, enhancing the graphitizing effect. When the REM content in the alloy is less than 0.1%, their effect on the properties of cast iron is hardly noticeable, the content of REMs above 2.2% is impractical due to the attenuation of the increase in the graphitizing ability of these metals and the rise in price of fame. Among individual REMs, lanthanum and neodymium are most effective.
Введение стронция в состав сплава приводит к улучшению формы графита и резкому увеличению его графитизирующей способности. Однако графитизирующий потенциал стронция значительно уменьшается в присутствии кальция и алюминия. Нижний предел содержания стронция в сплаве обусловлен тем, что при содержании в нем менее 0, 1 % Sr добавка сплава в чугун малоэффективна. Верхний предел содержания стронция в сплаве ограничивается возможностями технологического процесса его получения.
Наличие кальция в присутствии магния в сплаве способствует улучшению условий образования зародышей графита в процессе кристаллизации чугуна, причем, чем выше содержание кальция, тем больше должно быть содержание магния в сплаве. При содержании кальция 0,1 % содержание магния достаточно не более 0,15 %. Верхний предел содержания кальция (1,5 %) соответствует также верхнему пределу содержания магния (7,0 %) в сплаве. Содержания кальция в сплаве более 1,5 % вызывает снижение скорости растворения сплава в жидком чугуне вследствие блокирования реакционной поверхности образующимися силикатами.The introduction of strontium in the alloy leads to an improvement in the shape of graphite and a sharp increase in its graphitizing ability. However, the graphitizing potential of strontium is significantly reduced in the presence of calcium and aluminum. The lower limit of the strontium content in the alloy is due to the fact that when the content in it is less than 0.1% Sr, the addition of the alloy to cast iron is ineffective. The upper limit of the strontium content in the alloy is limited by the capabilities of the technological process for its production. The presence of calcium in the presence of magnesium in the alloy improves the conditions for the formation of graphite nuclei during the crystallization of cast iron, and the higher the calcium content, the greater the magnesium content in the alloy. With a calcium content of 0.1%, the magnesium content is sufficient no more than 0.15%. The upper limit of calcium content (1.5%) also corresponds to the upper limit of magnesium content (7.0%) in the alloy. The calcium content in the alloy of more than 1.5% causes a decrease in the rate of dissolution of the alloy in molten iron due to the blocking of the reaction surface by the formed silicates.
Содержание алюминия в сплаве не должно превышать 2,0 %, так как алюминий снижает графитизирующую способность стронция. Нижний предел содержания алюминия в сплаве обусловлен большими затратами, связанными с рафинированием ферросилиция от алюминия, так как промышленные сорта ферросилиция содержат до 2,5 % алюминия.The aluminum content in the alloy should not exceed 2.0%, since aluminum reduces the graphitizing ability of strontium. The lower limit of the aluminum content in the alloy is due to the high costs associated with the refining of ferrosilicon from aluminum, since industrial varieties of ferrosilicon contain up to 2.5% aluminum.
Наличие магния в сплаве менее 0,1 % не позволяет стабилизировать его состав и обеспечить необходимое соотношение содержания в нем стронция, кальция и алюминия в узких пределах. Магний увеличивает растворимость стронция в железо-кремнистом расплаве и позволяет стабильно поддерживать содержание этого элемента на верхнем пределе (2,0 %) даже при минимальном содержании в нём кремния (45 %). Кроме того, магний является основным сфероидизирующим элементом. Содержание магния в сплаве более 7 % приводит к повышенному его угару и пироэффекту при вводе модификатора в жидкий чугун. Поэтому такое содержание его в сплаве экономически и экологически не целесообразно.The presence of magnesium in the alloy of less than 0.1% does not allow to stabilize its composition and provide the necessary ratio of the content of strontium, calcium and aluminum in a narrow range. Magnesium increases the solubility of strontium in the iron-silicon melt and allows you to stably maintain the content of this element at the upper limit (2.0%) even with a minimum silicon content in it (45%). In addition, magnesium is the main spheroidizing element. The magnesium content in the alloy of more than 7% leads to its increased waste and pyroelectric effect when the modifier is introduced into molten iron. Therefore, such a content of it in the alloy is not economically and environmentally sound.
Цирконий введён в состав сплава для нивелирования вредного влияния алюминия на графитизирующее действие стронция. Причём нижний предел содержания циркония соответствует нижнему содержанию алюминия в сплаве, а верхний предел содержания циркония соответствует наибольшему содержанию алюминия в сплаве. Известно, что стронций в при-
сутствии алюминия в железо-кремнистых модификаторах проявляет свои графитизирующие свойства не стабильно и не всегда применение этих модификаторов приводит к полному устранению отбела в отливках. Введённый в состав сплава цирконий в указанных пределах стабилизирует мощную графитизирующую способность стронция вследствие образования прочных соединений ZrAl2, ZrAl3 и др. и позволяет предотвращать отбел в тонкостенных отливках. Содержание циркония менее 0,1 % не обеспечивает стабильную работу стронция при содержании алюминия в сплаве в количестве 0,3 %. Содержание циркония в сплаве в количестве 2,0 % позволяет полностью подавить вредное влияние алюминия даже при содержании алюминия 2,0 %.Zirconium was introduced into the composition of the alloy to level the harmful effects of aluminum on the graphitizing effect of strontium. Moreover, the lower limit of the zirconium content corresponds to the lower aluminum content in the alloy, and the upper limit of the zirconium content corresponds to the highest aluminum content in the alloy. It is known that strontium in in the presence of aluminum in iron-silicon modifiers, it exhibits its graphitizing properties not stable and the use of these modifiers does not always lead to the complete elimination of bleach in castings. Zirconium introduced into the composition of the alloy within the indicated limits stabilizes the powerful graphitizing ability of strontium due to the formation of strong compounds ZrAl 2 , ZrAl 3 and others and helps to prevent bleaching in thin-walled castings. A zirconium content of less than 0.1% does not provide stable operation of strontium with an aluminum content of 0.3% in the alloy. The content of zirconium in the alloy in an amount of 2.0% allows you to completely suppress the harmful effects of aluminum even with an aluminum content of 2.0%.
Пример 1. Получение сплава для модифицирования чугуна.Example 1. Obtaining an alloy for modifying cast iron.
Сплав (Таблица 1) получают в индукционной печи ИСТ- 1,0 путём сплавления кремния, стального лома, мишметалла или оксида лантана, магния, силикоциркония и карбоната стронция. Расплав выпускают в изложницу. После остывания сплав отделяют от шлака и его измельчают на щековой дробилке ДЛЩ-80 с выделением фракции 1-5 мм.The alloy (Table 1) is obtained in the induction furnace IST-1.0 by fusing silicon, steel scrap, mischmetal or oxide of lanthanum, magnesium, silicicirconium and strontium carbonate. The melt is released into the mold. After cooling, the alloy is separated from the slag and it is crushed on a DLShch-80 jaw crusher with the separation of a fraction of 1-5 mm.
Пример 2. Сравнение действий сплава для модифицирования.Example 2. Comparison of the actions of the alloy for modification.
Сравнение действия сплава проводят на чугуне, выплавляемом в индукционной печи ИСТ- 1,0. Модифицирование чугуна сплавом осуществляют в ковше.Comparison of the effect of the alloy is carried out on cast iron, smelted in the induction furnace IST-1,0. Modification of cast iron by alloy is carried out in a bucket.
Сравнивали сплавы известного состава и предлагаемого по изобретению. В таблице 1 первые три состава сплава являются известными, остальные четыре — предлагаемые.Compared alloys of known composition and proposed according to the invention. In table 1, the first three alloy compositions are known, the remaining four are proposed.
В таблице 2 представлены результаты модифицирования чугуна сплавами составов 1 — 7. Механические испытания проводили на образцах 10 мм по ГОСТ 1497-84, величину отбела замеряли в отливке с толщиной стенки 3 мм.
Таблица 1.Table 2 presents the results of the modification of cast iron by alloys of compositions 1 to 7. Mechanical tests were carried out on 10 mm samples according to GOST 1497-84, the bleach value was measured in a casting with a wall thickness of 3 mm. Table 1.
- Сплав содержит производственный шлак и примеси в количестве 1 % каждого.- The alloy contains industrial slag and impurities in an amount of 1% each.
Таблица 2.Table 2.
Из данных таблицы 2 следует, что сплав предлагаемого состава позволяет стабильно ликвидировать отбел в тонкостенной отливке при повышении прочности и пластичности чугуна в литом состоянии.
From the data of table 2 it follows that the alloy of the proposed composition allows you to stably eliminate bleaching in thin-walled castings while increasing the strength and ductility of cast iron in the cast state.