Способ измельчения зерна стали

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу измельчения зерна стали. Способ включает введение в расплав стали добавок, содержащих металл. В качестве добавок в расплав стали вводят стальной порошок, имеющий тот же химический состав, что и выплавляемая сталь, шаржированный тугоплавкими наночастицами, количество которых определяют по заданному размеру зерна стали после кристаллизации. Далее определяют объем наночастиц и исходя из их объема определяют объем стального порошка с учетом возможности размещения на частицах стального порошка наночастиц слоем толщиной в один линейный размер и покрытия ими 50% поверхности частиц стального порошка. Использование изобретения позволяет обеспечить равномерную мелкозернистую структуру стали на стадии отливки. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу измельчения зерна стали для получения заданных физико-механических свойств и мелкозернистой структуры стали.

Известен способ получения заготовок с мелкозернистой структурой (заявка RU №94010931, МПК B21J 5/00 «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», заявл. 1994.03.29, опубл. 1995.11.10). Известный способ относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления преимущественно металлических полуфабрикатов с мелкозернистой структурой, в том числе с субмикрокристаллической (СМК) и нанокристаллической (НК) структурой. В известной заявке задачей является повышение качества заготовки за счет получения в них СМК и НК структуры, высоких физических и механических свойств, увеличение коэффициента использования материала, а также повышение экономичности процесса за счет снижения трудоемкости и усилия прессования. Поставленная задача решается в способе получения заготовок с мелкозернистой структурой, в котором нагретая до температуры ниже температуры собирательной рекристаллизации заготовка подвергается комбинированной деформации, включающей совместное прессование и пластическое кручение со степенью деформации в пределах от 2 до 5. Кроме того, повышению качества изделий и экономичности процесса также способствуют одновременное кручение с прессованием.

Известен способ получения заготовок с мелкозернистой структурой (RU №2191652, МПК B21J 5/00 «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», заявл. 2001.04.04, опубл. 2002.10.27). Известный способ относится к способам изготовления заготовок с заданными физико-механическими свойствами и структурой металла для получения длинномерных заготовок с подготовленной мелкозернистой структурой, в том числе с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурой. Сущность: способ обработки давлением заготовок из металлов и сплавов включает совмещенную (осадка-сдвиг-кручение) схему интенсивной пластической деформации, по крайней мере, части заготовки в заданных термомеханических условиях. Заготовка прессуется через инструмент в канале прессования без нарушения ее сплошности. Используемый в данном способе инструмент формирует в процессе обработки заготовки сдвиговые деформации, обеспечивает объемное пластическое кручение ее отдельных участков.

Недостатками известных способов являются высокая стоимость, связанная со сложностью технологического процесса и высокими энергозатратами, невозможность получать заготовки из высокопрочных сталей, а также заготовки в виде пластин.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измельчения зерна стали (RU №2230797, МПК С21С 7/00 «Способ измельчения зерна стали, сплав для измельчения зерна стали и способ получения сплава для измельчения зерна», заявл. 2001.01.29, опубл. 2004.06.20) и выбран в качестве прототипа.

В способе измельчающий зерно сплав, имеющий химический состав FeXY, где X - один или несколько элементов, выбранных из группы, состоящей из Cr, Mn, Si, Ni и Mo, и где Y - один или несколько оксидообразующих, и/или сульфидообразующих, и/или нитридообразующих, и/или карбидообразующих элементов, выбранных из группы, состоящей из Се, La, Nd, Pr, Ti, Al, Zr, Ca, Ba, Sr, Mg, С и N, где Х составляет от 0,001 до 99 мас.% от массы сплава, a Y составляет от 0,001 до 50 мас.% от массы сплава. Причем упомянутый сплав дополнительно содержит от 0,001 до 2 мас.% кислорода и/или от 0,001 до 2 мас.% серы и, по меньшей мере, 10³ частиц включений на мм³, состоящих из оксидов, и/или сульфидов, и/или карбидов, и/или нитридов одного или нескольких элементов Y и/или одного или нескольких элементов X-Cr, Mn и Si, помимо Fe, и средний диаметр частиц включений составляет менее чем 10 мкм. Упомянутый сплав добавляют в расплавленную сталь в количестве от 0,01 до 5 мас.% от массы стали, после чего осуществляют разливку стали.

Недостатками известного способа измельчения зерна стали являются:

1. Дополнительная технологическая операция по добавке сплава в расплавленную сталь.

2. Трудность обеспечения равномерного распределение частиц включений по объему расплава из-за ограниченного времени пребывания частиц в расплаве перед разливкой и чувствительности к конкретному способу введения, что может вызвать неоднородность механических свойств материала получившейся отливки.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в обеспечении равномерной мелкозернистой структуры стали на стадии отливки и в упрощении способа измельчения зерна стали.

Поставленная задача решается тем, что в способе измельчения зерна стали, включающем введение в расплав стали добавок, содержащих металл, согласно изобретению, в качестве добавок в расплав стали вводят стальной порошок, имеющий тот же химический состав, что и выплавляемая сталь, шаржированный тугоплавкими наночастицами, количество которых определяют по заданному размеру зерна стали после кристаллизации, далее определяют объем наночастиц и, исходя из их объема, определяют объем стального порошка с учетом возможности размещения на частицах стального порошка наночастиц слоем толщиной в один линейный размер и покрытия ими 50% поверхности частиц стального порошка. Для равномерного распределения наночастиц по объему расплава введение добавок следует осуществлять в индукционных печах, обеспечивающих перемешивание расплава за счет вихревых токов.

Заявляемый способ измельчения зерна металла обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него тем, что в качестве добавок в расплав стали вводят стальной порошок, имеющий тот же химический состав, что и выплавляемая сталь, шаржированный тугоплавкими наночастицами, количество которых определяют по заданному размеру зерна стали после кристаллизации, далее определяют объем наночастиц и, исходя из их объема, определяют объем стального порошка с учетом возможности размещения на частицах стального порошка наночастиц слоем толщиной в один линейный размер и покрытия ими 50% поверхности частиц стального порошка. Введение добавок для измельчения зерна стали осуществляют в индукционной печи.

Использование в качестве добавок стального порошка, шаржированного тугоплавкими наночастицами, обеспечивает при кристаллизации расплава множество центров кристаллизации, равномерно распределенных по объему отливки, и, следовательно, одинаковый мелкий размер зерна по отливке. Это объясняется следующим. При шаржировании стального порошка наночастицами на поверхности частиц стального порошка наночастицы располагаются слоем толщиной в несколько наночастиц. После введения в расплав частицы стального порошка плавятся, и наночастицы отрываются от их поверхности. Это предотвращает образование больших конгломератов наночастиц, чего трудно добиться при других способах введения наночастиц в расплав. Равномерное распределение наночастиц по объему расплава обеспечивают перемешиванием расплава за счет вихревых токов в индукционной печи. После разливки при кристаллизации расплава введенные наночастицы, обладающие иной, по сравнению с расплавом, поверхностной энергией, обеспечат множество центров кристаллизации, равномерно распределенных по объему отливки, и, следовательно, одинаковый мелкий размер зерна по отливке.

Способ осуществляют следующим образом. Задают требуемый размер зерна стали после кристаллизации. Выбирают размер частиц стального порошка. В порошковой металлургии наиболее распространенным и дешевым является порошок со средним линейным размером частиц 0,2...0,5 мм. Количество введенных в расплав наночастиц определяют по заданному размеру зерна после кристаллизации и типу применяемых наночастиц (материал, размер). При этом необходимо учитывать возможность агломерации наночастиц. Рассчитывают требуемое для обеспечения заданного размера зерна отношение объема наночастиц к объему расплава как куб отношения среднего линейного размера наночастицы к линейному размеру зерна. Объем металлического порошка выбирают таким, чтобы при шаржировании его наночастицами последние могли разместиться на частицах порошка слоем толщиной в один линейный размер наночастицы и при этом покрывали около 50% поверхности частиц порошка. Порошок шаржируют наночастицами каким-либо способом, например в планетарной мельнице. В индукционной печи в расплав стали вводят стальной порошок, шаржированный наночастицами, и дают некоторое время на расплав частиц стального порошка и перемешивание, т.е. равномерное распределение наночастиц по объему расплава, после чего осуществляют разливку. После разливки при кристаллизации расплава наночастицы обеспечивают множество центров кристаллизации, равномерно распределенных по объему отливки, и, следовательно, одинаковый мелкий размер зерна по отливке.

Например, для получения требуемого среднего линейного размера зерна в 0,02 мм, при введении наночастиц средним размером 40 нм, объем наночастиц составит 8×10^-7% от объема расплава. При незначительной агломерации наночастиц, например до 400 нм, их объем не превысит 8×10^-4% от объема расплава, т.е. увеличение стоимости металла за счет стоимости наночастиц мало и связано в основном с технологической операцией подготовки порошка, шаржированного наночастицами.

При среднем размере частиц порошка 0,5 мм и 50% покрытии их поверхности агломератами наночастиц объем наночастиц составит 3×400×10^-6×0,5/0,25=24×10^-4 от объема порошка. Для обеспечения требуемого объема агломератов наночастиц в 8×10^-4% от объема расплава необходимый объем порошка составит 0,3% от объема расплава. Если частицы порошка покрываются не агломератами, а наночастицами, то объем наночастиц составит 3×40×10^-6×0,5/0,25=24×10^-5 от объема порошка. Для обеспечения требуемого объема наночастиц в 8×10^-7% от объема расплава необходимый объем порошка составит 0,0033% от объема расплава.

Температура расплава стали перед разливкой составляет примерно 1600°С. При введении порошка стали со средним линейным размером до 0,5 мм время, требуемое на нагрев до 1500°С и расплавление частицы порошка, составляет менее одной секунды. Таким образом, время нахождения расплава в печи после введения порошка определяется скоростью перемешивания расплава за счет вихревых токов, т.е. конструкцией печи.

В лабораторной индукционной печи была проведена плавка 0,5 кг стали 35Х с добавлением 5 г порошка со средним линейным размером 0,5 мм, шаржированного наночастицами Al₂O₃ в планетарной мельнице АГО-2У в течение 1 мин. Масса наночастиц выбрана 5 мг исходя из объемной доли 1×10^-3% наночастиц (с учетом агломерации) в расплаве. Время выдержки расплава в печи после введения порошка составило 30 мин. После разливки и кристаллизации металлографическое исследование показало, что средний размер зерна составил 0,018 мм.

Для шаржирования стального порошка наночастицами была использована планетарная мельница АГО-2У. Длительность процесса составила одну минуту. Для шаржирования применялось известное оборудование. Поскольку доля порошка составляет до одного процента массы расплава, то стоимость отливки возрастает незначительно, т.к. требуется изготавливать малые объемы стального порошка, шаржированного наночастицами.

Данный способ может быть использован также для измельчения зерна отливок из цветных металлов и сплавов.

1. Способ измельчения зерна структуры стали, включающий введение в расплав стали добавок, содержащих металл, при этом в качестве добавок в расплав стали вводят стальной порошок, имеющий тот же химический состав, что и выплавляемая сталь, шаржированный тугоплавкими наночастицами, количество которых определяют по заданному размеру зерна структуры стали после кристаллизации, далее определяют объем наночастиц и, исходя из их объема, определяют объем стального порошка с учетом возможности размещения на частицах стального порошка наночастиц слоем толщиной в один линейный размер и покрытия ими 50% поверхности частиц стального порошка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение добавок осуществляют в индукционной печи.