Получение чугуна с высоким содержанием углерода путем науглероживания наноструктурами
Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к чугунному литью и способам получения высокопрочного чугуна с высоким содержанием углерода.
Полученная нами технология может быть использована при литье высокопрочных чугунных отливок для автокомпонентов, сочетающих повышенные физико-механические и технологические свойства. Изобретение направлено на получение железоуглеродистого сплава (высокопрочного чугуна) с высокими физико-механическими свойствами (предел прочности при растяжении, относительное удлинение), высокой степенью науглероживания, длительным эффектом сохранения степени науглероживания, отсутствием пироэффекта, улучшением экологии производства высокопрочного чугуна.
Технология науглероживания чугуна (железоуглеродистого сплава) включает в себя выплавку чугуна в электродуговых, индукционных печах и газовых вагранках с копильником, ввод инжекционным способом по зеркало металла науглероживателя (модификатора) с наноструктурами графита (размер до 100 нм) в количестве 0,0001 – 0,01 %, расположенных на поверхности граней (плоскостей) углеродсодержащего материала (фракция от 0,05 мм до 10,00 мм).
Найденная технология позволяет получить чугун с высоким содержанием углерода в электродуговых, индукционных печах и газовых вагранках с копильником.
Существуют различные технологии для литья высокопрочного чугуна, которые позволяют науглероживать чугун с различной эффективностью. Например, метод пролива расплава через слой вращающего науглероживателя (патент RU 2191832 с21 c1/08) с целью максимального контакта жидкого металла с частичками карбюризатора. Но наиболее близким по размерности науглероживающего компонента, является (Патент RU 2196187, с22 с33/ c 21 c5/00). Известный способ предлагает науглероживание сажей с размерами частиц 10-5 – 10-7 см в количествах 0,01 – 2, 14 %, с последующим раскислением, обработку сплава давлением, многоступенчатой системой охлаждения при кристаллизации железоуглеродистого сплава. Среди его недостатков – сложность технологического процесса и высокие затраты на исполнение. Проблемным является ввод в расплав дисперсного, легко возгоняемого горячими воздушными потоками сажи, фракцией 10-5 – 10-7 см, что не обеспечивает стабильность всего технологического процесса.
Изобретенный нами Способ науглероживания железоуглеродистого сплава наноструктурированными модификаторами направлен на создание устойчивого науглероживания железоуглеродистых сплавов наноструктурированными модификаторами (науглероживателями). Отличающиеся высокой степенью усвоения углерода при литье высокопрочного чугуна в широком диапазоне температур (1350 – 1650 ºС), длительным эффектом сохранения степени науглероживания, отсутствием пироэффекта, улучшением экологии производства чугуна.
Для реализации поставленных задач предлагается вариант науглероживания железоуглеродистого сплава, включающий выплавку исходного расплава в электродуговых, индукционных печах и газовых вагранках с копильником, последующий ввод в расплав металла наноструктурированного модификатора (науглероживателя) инжекционным методом в струе инертного газа-носителя.
Способ науглероживания железоуглеродистых сплавов основан на применении наноструктурированного модификатора (науглероживателя). Механизм действия наноструктурированного модификатора заключается в том, что при попадании частицы науглероживателя в расплав чугуна наноструктурированные элементы (нанокластеры) под действием термических напряжений отделяются от носителя (матрицы) и формируют зародыш кристаллизации графитного включения. При этом имеет место существование кластерного механизма зарождения и роста мелких кристаллов из расплава. Основа этого механизма заключается в бикластерных реакциях для кристаллизации:
где – кластер в составе жидкой фазы; 2 – элементарный кристалл, полученный при срастании двух кластеров; – кристалл срастания i – кластеров.
Механизм роста кристаллов за счет присоединения мелких кристаллов к более крупным кристаллам характерен для условий медленного роста при наличии малого переохлаждения и твердо-жидкой зоны в отливках, что наиболее характерно для сплавов, кристаллизующихся в условиях массового зарождения центров кристаллизации, именно конкурентный механизм роста отвечает за их срастание и укрупнение первичной кристаллической структуры отливок. Введение в железоуглеродистый сплав наноструктурированных частиц (до 100 нм) в количестве 0,0001 – 0,01 % в сочетании с частицами размером от 0,05 до 10,0 мм обеспечивает стабильное усвоение углерода. Чрезмерно большое количество нанокластеров будет провоцировать формирование междендритного графита, определяющего низкие физико-механические показатели (предел прочности при растяжении и относительное удлинение). Отсутствие нанокластеров будет приводить к образованию крупных включений графита, что также приведет к снижению физико-механических свойств. Сбалансированное количество нанокластеров и фракционных включений углеродсодержащего материала приводит к формированию равномерной структуры железоуглеродистого сплава (графитная фаза + металлическая матрица), обеспечивает условия для получения высокопрочного чугуна и достижения его высоких физико-механических свойств.
Предлагаемый способ науглероживания железоуглеродистого сплава наноструктурированными модификаторами подвергался сравнительным испытаниям с известным способом (Патент RU 2196187, с22 с33 / с21 с5/00) на основе исходного расплава приготовленного в электродуговой, индукционной печах и газовой вагранке с копильником. Результаты приведены в таблице:
№ п/п |
Способ науглероживания |
Плавильный агрегат |
Температура обработки, ºС |
Содержание исходного углерода, % |
Количество модификатора, введенного в расплав, % |
Конечное содержание углерода, % |
Усвоение углерода, % |
Время сохранения эффекта науглероживания, мин |
1 |
Предлагаемый (нижний уровень) |
Электродуговая печь |
1500 |
3,48 |
0,25 |
3,71 |
95 |
110 |
2 |
Предлагаемый (средний уровень) |
Электродуговая печь |
1500 |
3,48 |
0,25 |
3.72 |
98 |
115 |
3 |
Предлагаемый (верхний уровень) |
Электродуговая печь |
1500 |
3,48 |
0,25 |
3.73 |
100 |
120 |
4 |
Прототип (средний уровень) |
Электродуговая печь |
1500 |
3,48 |
1,07 |
3,91 |
40 |
30 |
5 |
Предлагаемый (нижний уровень |
Индукционная печь |
1440 |
3,42 |
0,30 |
3,70 |
95 |
120 |
6 |
Предлагаемый (средний уровень) |
Индукционная печь |
1440 |
3,42 |
0,30 |
3,71 |
98 |
125 |
7 |
Предлагаемый (верхний уровень) |
Индукционная печь |
1440 |
3,42 |
0,30 |
3,72 |
100 |
135 |
8 |
Прототип (средний уровень) |
Индукционная печь |
1440 |
3,42 |
1,07 |
3,79 |
35 |
30 |
9 |
Предлагаемый (нижний уровень |
Газовая вагранка с копильником |
1360 |
3,39 |
0,40 |
3,77 |
95 |
115 |
10 |
Предлагаемый (средний уровень) |
Газовая вагранка с копильником |
1360 |
3,39 |
0,40 |
3,78 |
98 |
120 |
11 |
Предлагаемый (верхний уровень) |
Газовая вагранка с копильником |
1360 |
3,39 |
0,40 |
3,79 |
100 |
125 |
12 |
Прототип (средний уровень) |
Газовая вагранка с копильником |
1360 |
3,39 |
1,07 |
3,60 |
20 |
30 |
Формула изобретения
Способ науглероживания железоуглеродистого сплава наноструктурированными модификаторами, включающий выплавку исходного чугуна в электродуговых, индукционных печах и газовых вагранках с копильником, ввод инжекционным способом под зеркало металла науглероживателя (модификатора) с наноструктурами графита (размер до 100 нм) в количестве 0,0001 – 0,01 %, расположенных на поверхности граней (плоскостей) углеродсодержащего материала (фракция от 0,05 до 10,00 мм). Способ примечателен тем, что обеспечивается получение железоуглеродистого сплава (высокопрочного чугуна) с высокими физико-механическими свойствами (предел прочности при растяжении, относительное удлиннение), высокой степенью науглероживания, длительным эффектом сохранения степени науглероживания, отсутствием пироэффекта, улучшением экологии производства чугуна.
авторы: Панфилов Э.В., Абрамов В.И., Гуртовой Д.А,
Абдулхаликов Р. (“Камаз-Металлургия”),
Королев С.П. (ОДО “Эвтектика”)